Рисунок 3 - Характеристика параметров гидролиза сырья различными ферментными препаратами: до гидролиза; 1 - Савиназа; 2 - Протосубтилин Г10х; 3 - Флавозим 1000Л; 4 - Мегатерин Г10х; 5 - Протеаза «С»; 6 - Амилопротооризин Г10х
При посоле пестрого толстолобика массой 0.6 - 1.0 кг, выловленного в осеннее время года, плотностью 1.2 г / см3 при температуре Т = + 5.0 0С, даже через 40 суток буферность составляла менее 40 градусов. Немного выше активность протеолитических ферментов у берша (0.08 ед / г), хотя и значительно ниже, чем у традиционно применяемых для производства пресервов видов рыб, например у скумбрии (0.13 ед / г). Одним из основных свойств протеолитических ферментов является их способность проявлять максимальную активность при определенном значении рН среды. Оценку влияния рН среды на активность пептидгидролаз субпродуктов проводили при рН: 3.56; 4.01; 6.86; 9.18, см. рисунок 4.
Рисунок 4 - Зависимость активности субпродуктов тушки толстолобика (пестрого)
от рН среды.
Оптимизация процесса ферментативного гидролиза. Оценка влияния гидромодуля суспензии на выход аминосодержащих компонентов осуществлялась в процессе ферментолиза. К сырью, состоящему из внутренних органов и мяса рыбы в соотношении «1 : 1», добавляли различное количество воды, изменяя гидромодуль суспензии от 1 до 5. Ферментативный гидролиз вели при Т = 40.0 ºС в течение 10 часов, поддерживая рН суспензии в диапазоне 7.4…7.6, см. таблицу 4.
Таблица 4 - Выход аминосодержащих веществ в полученных гидролизатах при различном гидромодуле суспензии.
№№
|
Гидромо-дуль
|
Объем фильтрата, мл
|
Концентрация аминного азота, мг %
|
Выход по аминокислотам, %
|
1
|
1 : 1
|
36
|
511
|
2.87
|
2
|
1 : 2
|
90
|
378
|
5.31
|
3
|
1 : 3
|
130
|
283
|
5.75
|
4
|
1 : 4
|
170
|
227
|
5.95
|
5
|
1 : 5
|
203
|
168
|
5.32
|
В случае низкой протеолитической активности ферментов в субпродуктах использовались дополнительные ферменты, протеолитическая активность которых приведена выше. Была исследована возможность получения аминокислотных гидролизатов под воздействием комплекса препаратов: Савиназа + Протеаза «С», отдельно Протеазы «С» и отдельно Флавозима 1000Л. Концентрацию аминного азота в ходе экспериментов измеряли по истечении 2 часов гидролиза. Температура гидролиза составляла Т = 40.0 ºС, при рН = 7.5. При концентрации всех ферментов в рабочем растворе Q = 0.03 %, величина концентрации аминного азота одинакова и составляет 70.0 мг %. Увеличение концентрации ферментов в 10 раз приводит к увеличению концентрации аминного азота лишь на 19.0 %. Получено численное значение концентрации ферментного препарата - 0.055 % от общего веса рабочей смеси. В качестве добавочного фермента был выбран Флавозим 1000Л.
В процессе исследований изучена динамика накопления аминного азота в рабочей суспензии. Гидромодуль суспензии составлял «1 : 1», «1 : 2», «1 : 3». Температура Т = 40.0 ºС, продолжительность процесса - 10 часов. Величину рН = 7.5 поддерживали 20.0 %-ым раствором NaOH. Динамика накопления аминного азота показана на рисунках 5 - 8.
Аминокислотный анализ «СФАГ-2». Общее количество исследуемых образцов - 10. Каждый образец представлял собой среднюю по трем отборам пробу, взятую из соответствующих 10 партий продукции. Были проведены следующие исследования:
Рисунок 5 - Динамика накопления аминного азота при использовании комплекса ферментов внутренних органов рыб.
Рисунок 6 - Динамика накопления аминного азота при использовании смеси ферментов Савиназа + Протеаза «С»
Рисунок 7 - Динамика накопления аминного азота при использовании Протеазы «С»
Рисунок 8 - Динамика накопления аминного азота при использовании
Флавозим 1000Л
количественный аминокислотный анализ тотальных гидролизатов, при этом, определение содержания триптофана и суммы цистеина и цистина в
образцах проводилось отдельно, с соблюдением условий для максимально возможного открытия этих аминокислот;
количественный аминокислотный анализ свободных аминокислот в супернатантах, полученных после депротеинизации раствора образца 4.4% сульфосалициловой кислотой;
количественный аминокислотный анализ экстракта исследуемого образца 50.0 % этиловым спиртом после его тотального гидролиза - данный анализ позволил оценить количество аминокислот в низкомолекулярной пептидной фракции образца.
Результаты исследований, см. рисунок 9.
Рисунок 9 - Структура аминокислотного состава свободных аминокислот в «СФАГ-2» и гомогенизированной тушке толстолобика. Условные обозначения: «опыт № 1» и «опыт № 2» - в обоих случаях рассчитаны средние значения по пяти пробам; «опыт № 3» данные по гомогенизированной тушке живого толстолобика
На рисунке видно, что профиль элюирующихся аминокислот в исследуемых образцах содержит наряду с белковыми аминокислотами и аминокислоты, обычно идентифицируемые при анализе гомогенатов ткани рыб. С целью выявления идентификационных признаков подлинности рыбного сырья проведено сравнение результатов по «СФАГ-2» живого толстолобика. Установлено, что аминокислотные профили в целом идентичны, что позволяет использовать данный результат для контроля качества и безопасности конечной продукции.
Обобщенная схема технологического процесса производства «СФАГ-2» представлена на рисунке 9.
-
ВР - 1
|
С анитарная обработка производства системой «СIP»
|
-
ВР - 2
|
Подготовка сырья
|
|
Технологичееский процесс
|
|
-
ТП - 3
|
Т П - 3.1
|
Аутолиз или
ферментативный гидролиз
|
|
Технологичееский процесс
|
|
Т П - 3.2
|
Центрифугирование
|
Т П - 3.3
|
Осветление и сепарирование
|
|
Т П - 3.4
|
Концентрирование
|
Т П - 3.5
|
Сушка концентрата гидролизата
|
-
УМО - 4
|
Фасовка, упаковка, маркировка
|
|
Технологичееский процесс
|
|
Рисунок 9 - Обобщенная схема технологического процесса производства «СФАГ-2
Условные обозначения:
«ВР-1» - Санитарная обработка производства.
«ВР-2» - Подготовка сырья. Сырьем для промышленного производства «СФАГ-2» являются: тушка толстолобика по ГОСТ 24986; субпродукты пищевые; ферментный препарат «Флавозим 1000Л»; кислота соляная по ГОСТ 3118 марки х.ч. или ч.д.а.; натр едкий твердый реактивный ЧДА ГОСТ 4328 - 77 изм. 1,2; вода питьевая по ГОСТ Р 51232 и СанПиН 2.1.4.1074.
«ВР-2.1» - Подготовка к аутолизу. Осуществляется в тех случаях, когда субпродукты поступают на производство в необходимых количествах и удовлетворяют предъявляемым стандартам качества по протеолитической активности нативных ферментов.
«ВР-2.2» - Подготовка к ферментативному гидролизу. Осуществляется в случае недопоставки субпродукта пищевого, или в случае низкой протеолитической активности нативных ферментов исходного сырья. Повышение активности ферментных систем осуществляется за счет добавления препарата «Флавозим 1000Л» в гидролиз-аппарат и туда же добавляется вода питьевая или дистиллированная (конденсат вторичного пара), получаемая на стадии концентрирования. При аутолизе: соотношение субпродукта и рыбного сырья должно быть «1:1», гидромодуль «1:3». При ферментативном гидролизе: это соотношение должно быть «0.0018 : 1», гидромодуль соответственно « 1 : 3 ».
Измельченное и взвешенное сырье (P = 700.0 кг рыбы живой и P = 700.0 кг субпродуктов) по отдельности поступает в конический смеситель, откуда с помощью винтового насоса и поворотной заслонки загружается в гидролиз-аппарат вместимостью V = 10.0 м3. Туда же добавляется вода питьевая или дистиллированная вода (конденсат вторичного пара), получаемая на стадии концентрирования (упаривания). При непрерывном перемешивании рН смеси доводят до значений 7.6 - 7.7 с помощью 20.0 % раствора едкого натра. Процесс гидролиза осуществляется при температуре Т = 38.0 - 42.0 ºС. Общее время проведения гидролиза - 10 час. Во время гидролиза каждый час отбирается проба на содержание аминного азота. Процесс гидролиза заканчивают при достижении концентрации аминного азота - 315 мг %. По окончании процесса реакционную смесь нагревают с помощью подачи пара в рубашку до Т = 85.0 - 90.0 ºС и выдерживают при этой температуре в течение 20 мин.
«ТП - 3.1» - Аутолиз или ферментативный гидролиз. Взвешенное и измельченное в куттере сырье с помощью винтового насоса загружается в реактор.
«ТП - 3.2» - Центрифугирование. Полученный гидролизат насосом подают на проточную осадительную горизонтальную центрифугу со шнековой выгрузкой осадка. Пастообразный осадок с влажностью около 70.0 % периодически выгружается для дальнейшей переработки. «Фугат - 1» собирают в подают в реакторы для проведения процесса осветления.
«ТП - 3.3» - Осветление и сепарирование. Произведенный «Фугат - 1» в реакторе для осветления подкисляют до значения рН = 3.2, 20.0 % - ным раствором соляной кислоты. Затем смесь прогревают подачей пара в рубашку до Т = 85.0 - 90.0 0С и направляют насосом через сетчатый фильтр на сепарирование. При данной температуре на сепараторе происходит более эффективное отделение рыбьего жира. Жиросодержащую фракцию собирают в сборник жира и направляют на дальнейшую переработку, а осадок в сборник. Полученный «Фугат-2» собирают в реактор, доводят его рН до значения 6.0 с помощью 20.0 % раствора едкого натра из мерника и при постоянном перемешивании через сетчатый фильтр направляют на концентрирование.
«ТП- 3.4» - Концентрирование. Процесс концентрирования полученного осветленного гидролизата («Фугата - 2») проводят в двухкорпусной вакуум-выпарной установке при Т = 55.0 - 70.0 ºС и остаточном давлении 0.015…0.025 МПа. Концентрирование проводят в семь раз. Продолжительность операции концентрирования - 5 часов. Концентрат собирают в сборник, а затем направляют на сушку. Во избежание кристаллизации концентрата перед передачей его на сушку температуру в сборнике поддерживают в пределах значений Т = 50.0 - 60.0 ºС с помощью подачи пара в рубашку. Побочный продукт - дистиллят собирают в сборник и далее используют на стадии приготовления гидролизата.
«ТП - 3.5» - Сушка концентрата гидролизата. Сушку полученного концентрата гидролизата осуществляют на распылительной сушильной установке при температуре теплоносителя на входе в сушильную камеру в пределах Т = 140.0 - 160.0 ºС и на выходе, в пределах Т = 80.0 - 90.0 ºС. Отработанный воздух очищается на 1-й ступени - циклоне (степень очистки - около 90.0 %), на 2 - й ступени - рукавный фильтр (степень очистки - 98.0 %). Сухой продукт, с остаточной влажностью не более 8.0 %, выгружается из циклона и рукавного фильтра в бункер-накопитель. Продолжительность сушки - 10 часов.
«УМО - 4» - Фасовка, упаковка, маркировка. Произведенный «СФАГ-2» посредством герметичного затвора расфасовывают в специальные пакеты из комбинированных влагонепроницаемых материалов по ТУ 6-19-371 или полиэтиленовой плёнки по ГОСТ 10354, взвешивая и закрывая их герметично термосвариванием. Масса нетто продукта в пакетах 5.0 кг и 10.0 кг.
В четвертой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке новой технологии, процессов и аппаратных схем промышленного производства порошковых экстрактов растительных экстрактов на примере производства экстракта зеленого чая. В состав натурального зеленого чайного листа входят разнообразные биологически активные вещества, синтезируемые чайным растением, среди которых наибольшее значение имеют: фенольные соединения или танино-катехиновая смесь (ТКС), кофеин, теобромин, теофиллин, эфирные масла, витамины (P, C, B1, B2, K, U, PP и др.). Указанный продукт целесообразно получать из свежего листа, сортового или некондиционного чая любого сорта, а также из вторичных сырьевых ресурсов чайной промышленности (черешки, волоски, пластинки зеленого чая).
Вкус и аромат чая обуславливается содержанием в нем ароматических веществ. Их образование начинается на стадии завяливания, интенсивно развивается в процессе скручивания и ферментации. Вещества представлены эфирными маслами, которые представляют собой сложную смесь веществ, относящихся к разнообразным группам: альдегидам, кетонам, спиртам, кислотам, углеводородам, фенолам. Общее содержание эфирных масел определяется сотыми долями процента. В чае содержится от 0.007 % эфирных масел - в сухом ферментированном чайном сырье до 0.014 % - в свежих чайных листьях. В составе эфирных масел зеленого чайного листа было обнаружено около 50.0 % гексенола с сильным запахом зелени, гераниола - около 14.0 % с запахом розы, линалоола - около 13.0 % с запахом ландыша и их производных. Однако температура кипения этих соединений составляет от Т = 156.0 °С для гексенола до Т = 230.0 °С для гераниола. Выделение этих веществ требует проведение процесса экстракции при температурах не ниже температур кипения, что предъявляет повышенные требования к производственному оборудованию. Летучие альдегиды, имеющие низкие температуры кипения менее Т = 100.0 °С, содержатся в чайном листе в ничтожных количествах. В процессе исследований решены следующие технологические задачи: оптимизирован процесс экстракции водорастворимых веществ чая; обоснован выбор технологии отделения осадка от экстракта, а также способ концентрирования и сушки готового сухого продукта; разработана процессуальная схема производства; обоснован оптимальный материальный баланса процесса; доказана необоснованность выделения и последующего купажирования ароматических веществ в конечном продукте. При проведения работ были использованы два сорта китайского зеленого чая: образец 1 - байховый зеленый чай урожая 2007 года и образец 2 - байховый зеленый чай урожая 2006 года.
Эксперименты по оптимизации процесса экстракции. К навеске сухого зеленого чая (Р = 20.0 - 30.0 г) добавляли питьевую воду. Гидромодуль суспензии варьировали от 10 до 20 мл / г исходного сырья. Суспензию нагревали до Т = 90.0 °С и выдерживали при указанной температуре в течение 1 часа. Экстракт в горячем виде декантировали или фильтровали с применением технологии мембранной фильтрации. К оставшемуся осадку вновь приливали воду. Объем добавленной воды изменяли в соответствии с условиями эксперимента от 5.0 до 20.0 мл / г сырья. Полученную суспензию вновь нагревали до Т = 90.0 °С и выдерживали в течение 1 часа. Вторичный экстракт также фильтровали. В фильтратах определяли: объем, концентрацию сухих веществ, концентрацию танино-катехиновых веществ в растворе (ТКС). Процесс получения сухого экстракта чая проводился в периодическом режиме, последовательно включающем стадии: экстракции водорастворимых веществ чая, отделение экстракта от осадка методами фильтрации и/или центрифугирования, концентрирования выпариванием и распылительной сушкой концентрата.
Установлено, что наиболее значимыми для процесса экстракции являются следующие параметры: продолжительность и температура процесса, гидромодуль суспензии, а также количество экстракций из одной порции исходного сырья. Для обоснования время проведения процесса экстракции была определена динамика накопления сухих веществ и ТКС в экстракте. Исследование проводили с использованием зеленого чая обр. 2. Гидромодуль суспензии составил 20.0 мл / г ( «1 : 20» ), температура экстракции Т = 90.0 °С. С увеличением продолжительности процесса экстракции происходит увеличение концентрации сухих веществ, в то время как концентрация ТКС со временем практически не изменяется. Увеличение продолжительности экстракции ведет к увеличению содержания балластных веществ. Таким образом, продолжительность процесса экстракции не должна превышать одного часа. Оптимизация температурного режима и гидромодуля проводилась при условиях: продолжительность процесса - один час, температура Т = 90.0 °С и Т = 132.0 °С. Процесс экстракции при Т = 132.0 °С осуществлялся в автоклаве под давлением 2.0 атм. Гидромодуль суспензий варьировали от 8.0 до 20.0 мл / г. Выход сухих веществ (СВ) на первой стадии экстракции показан в таблице 5.
Таблица 5 - Выход сухих веществ на стадии экстракции при различных режимах процесса.
№№
|
Образец
|
Темпе- ратура, °С
|
Гидро-модуль, мл/г
|
Конц. сухих веществ, %
|
Конц. ТКС,
А278
|
Выход СВ,
%
|
1
|
1
|
90
|
8
|
5.27
|
0.76
|
28.7
|
2
|
1
|
90
|
10
|
4.69
|
0.61
|
29.5
|
3
|
1
|
90
|
20
|
2.11
|
0.34
|
31.6
|
4
|
1
|
132
|
20
|
2.55
|
0.47
|
37.0
|
5
|
2
|
90
|
10
|
4.58
|
0.47
|
24.9
|
6
|
2
|
90
|
20
|
1.88
|
0.24
|
30.0
|
7
|
2
|
132
|
10
|
4.67
|
0.54
|
29.4
|
8
|
2
|
132
|
20
|
2.33
|
0.28
|
32.0
|
Использование высокотемпературной экстракции требует повышенного давления и в связи с этим предъявляет повышенные требования к техническому обслуживанию сосудов, работающих под давлением и приводит к значительному увеличению затрат на изготовление оборудования. Кроме того, применение высоких температур при длительном воздействии отрицательно влияет на качество чайного экстракта, ускоряя окислительные процессы ТКС, и тем самым снижает качественные показатели конечного продукта. Увеличения выхода готового продукта на стадии экстракции можно добиться, увеличивая кратность экстракции, проводя повторную экстракцию чайного листа при температуре Т = 90.0 °С.
Отделения осадка от экстракта. При проведении эксперимента был приготовлен экстракт из образца зеленого чая образца 2 с концентрацией сухих веществ 2.72 %. Процесс отделения экстракта от осадка проводили методами постадийной фильтрации. Фильтрацию через фильтр проводили на нутч-фильтре с градиентом давления 0.7 атм. с использованием вакуумного водокольцевого насоса. Фильтрация через бельтинг проводилась под давлением 2.0 атм. в автоклаве. Для дополнительного осветления экстракта использовали процесс центрифугирования. Осветление экстракта проводили на стаканчиковой центрифуге при числе оборотов ротора N = 1.2 тыс. об / мин, в течение t = 30 минут. Все процессы фильтрации и центрифугирования проводили при Т = 80.0…90.0 °С для предотвращения осаждения веществ ТКС. Качество фильтрации или центрифугирования проводили на основании изменения концентрации сухих веществ до и после отделения осадка, см. таблицу 6.
Таблица 6 - Зависимость качества экстракта от способа разделения экстракта и разварки
№№ проб
|
Способ отделения осадка
|
Фильтрующий материал
|
Концентрация сухих веществ, %
|
Концентрация ТКС, А278
|
1
|
Исходный экстракт
|
|
2,72
|
0,28
|
2
|
Фильтрация
|
ФМ-1
|
2,72
|
0,28
|
3
|
ФМ-2
|
2,67
|
0,26
|
4
|
ФМ-3
|
2,69
|
0,27
|
5
|
Центрифугирование
|
-
|
2,12
|
0,27
|
Приведенные данные позволяют сделать заключение о неэффективности применения процесса фильтрации для отделения раствора от осадка. Центрифугирование позволяет получить экстракт с меньшим содержанием балластных веществ без потери ТКС. В производственном процессе для разделения суспензии были использованы процессы центрифугирования для отделения экстракта от разварки чайного листа и сепарирования - для отделения мелкой взвеси балластных веществ. Все процессы необходимо проводить при Т = 80.0 °С во избежание потерь веществ ТКС.
Характеристика разработанного промышленного процесса. Обобщенная технологическая схема производства сухого экстракта зеленого чая представлена на рисунке 10. В реактор, объемом V = 75.0 л, оснащенный перемешивающим устройством и рубашкой для подогрева реакционной смеси, залили 50.0 л очищенной водопроводной воды. Воду нагревали до Т = 90.0 °С и вносили 5.0 кг зеленого чая. Через 1.5 часа, когда масса чая оседала, экстракт 1 ( Э 1 ) слили и профильтровали через специальный фильтр (1 вариант), а затем осветлили на стаканчиковой центрифуге периодического действия (2 вариант). Условия разделения смеси: число оборотов ротора центрифуги N = 1000 об / мин, продолжительность операции t = 30 минут, температура фильтрации и центрифугирования Т = 80.0 °С.
Затем в реактор вновь заливали воду до первоначального объема и загрузили сырье, оставшееся после первой экстракции, смесь нагрели до Т = 90.0 °С, выдержали в течение 1 часа. Разделение суспензии вторичного экстракта ( «Э2» ) в каждом из вариантов вели по схеме, аналогичной описанной выше. Первичный и вторичный экстракты объединили и упарили в 5 раз. Концентрирование растворов проводили при температуре Т = 80.0 °С в вакуум-выпарном аппарате УВВ-50. Сушку концентрата проводили с использованием прямоточной распылительной сушилки РС-20 с дисковым распыливающим механизмом Niro Atomizer (Дания) при температуре теплоносителя на входе в сушильную камеру Т = 170.0…180.0 °С и на выходе Т = 85.0…90.0 °С.
 
С ухой зеленый чай Экстракция 1
 Вода Т = 90.0 °C,
Время - 1 час
Гидромодуль «1 : 10»
|
