Разработка технологии пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

22

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

Разработка технологии пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов

Мажаров Александр Владимирович

Калининград - 2011



Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КГТУ»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Фатыхов Юрий Адгамович

Официальные оппоненты:

заслуженный работник рыбного хозяйства России, доктор технических наук, старший научный сотрудник Андреев Михаил Павлович

кандидат технических наук, доцент Байдалинова Лариса Степановна

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет»

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Н.Л. Великанов



1. Общая характеристика работы

технологический пищевой добавка рыбоперерабатывающий

Актуальность работы. Концепция развития рыбного хозяйства Российской Федерации на период до 2020 года определяет инновационный путь развития рыбохозяйственного комплекса на основе сохранения, воспроизводства, рационального использования и создания новых способов добычи водных биологических ресурсов, глубокой переработки сырья с использованием безотходных технологий, совершенствования методов хранения и транспортировки рыбной продукции.

На большинстве рыбообрабатывающих предприятий наиболее целесообразным является глубокое разделывание рыбы на филе. Во многих зарубежных фирмах глубокая разделка рыбы также является основным видом первичной переработки сырья. При разделывании рыбы на филе выход готовой продукции не превышает 40%.

Вторичные ресурсы рыбопереработки представляют определенную биологическую ценность и усилия многих отечественных и зарубежных ученых направлены на разработку рациональных технологий с целью получения продукции на их основе пищевого, кормового, технического, медицинского, фармакологического и др. назначения. В доле вторичных ресурсов преимущественную часть составляют отходы рыбопереработки на костной основе: хребтовая кость с прирезями мышечной ткани, головы, плавниковые и хвостовые окончания.

Костная рыбная ткань - источник белка и минеральных веществ. Белок на 73-95% представлен оссеоальбумоидами. Минеральные вещества представлены кальцием, фосфором, магнием, фтором и др. Содержание в рыбной кости кальция - в 6,2 раза, магния - в 8 раз, марганца - в 1,1 раза больше, чем в мышечной ткани.

Вещества, входящие в состав рыбной костной ткани, оказывают положительное воздействие на человека, стимулируют обмен белков и углеводов. Комплекс минеральных солей и кальция, содержащийся в костной ткани, положительно влияет на лечение и профилактику кариеса, остеохондроза, рахита и других заболеваний человека. Известно также, что введение костной ткани в рацион питания приводит к уменьшению уровня накопления радиоактивных изотопов в скелете человека, снижению дозы облучения костного мозга и костной ткани, сокращает риск возникновения злокачественных опухолей, предотвращает метастазирование уже развившихся опухолей и заболеваний кроветворной и костной системы.

Вопросами рационального использования рыбокостной ткани и получения на ее основе различных препаратов, добавок и пр. занимались отечественные и зарубежные ученые: Белова З.И., Быкова В.М., Грозовская В.А., Дацун В.М., Землякова Е.С., Мезенова О.Я., Мукатова М.Д., Мухин В.А., Новикова М.В., Сафронова Т.М., Слуцкая Т.Н., Суховерхова Г.Ю., Сытова М.В., Харенко Е.Н., Apinya A., Sittiwat L., Manop S. и др.. Однако разработанные технологии базировались на переработке хрящевых тканей акул, скатов, осетровых и были основаны преимущественно на химическом подходе к производству.

В этой связи для Калининградского региона представляет особый интерес переработка костных отходов балтийских трески и судака, как наиболее массовых добываемых видов рыб. Как показал анализ работы рыбообрабатывающих предприятий, на большинстве из них такого рода вторичное сырье или утилизируется, или направляется на кормовые цели.

С учетом вышеизложенного актуальным является разработка такой технологии натуральной добавки из костной ткани гидробионтов, которая могла бы быть максимально использована как в качестве пищевой добавки, обогащающей конечный продукт белковыми и минеральными веществами, так и в качестве основы для получения препаратов лечебно-профилактического назначения (БАВ, БАД и т. д.). Подобный опыт рационального использования костного сырья гидробионтов широко используется в западных странах, где тонкоизмельченный костный фосфат добавляют в пшеничную муку, мясо, кондитерские изделия, продукты детского питания и т.д., а также применяют в производстве биологически активных веществ и добавок. Разработка указанной технологии соответствует принципу безотходности производственного процесса, рациональности использования природных ресурсов, экологичности производства и достижения определенного социально-экономического эффекта.

Диссертационная работа проводилась в рамках основных направлений исследований кафедры пищевых и холодильных машин, соответствующих плану госбюджетной НИР «Совершенствование технологического оборудования и линий на пищевых предприятиях региона» (ГР № 01201001892, инв. № 02201057015, 2010г.).

Цель работы - разработка и научное обоснование технологии пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов, полученной на основе рациональной переработки вторичных ресурсов.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие основные задачи:

- обосновать выбор объекта исследования для получения пищевой натуральной добавки исходя из региональных особенностей рыбоперерабатывающего производства;

- определить технологическую последовательность операций по рациональной переработке костных вторичных ресурсов, максимально сохраняющих их пищевую ценность;

- обосновать и осуществить выбор эффективного метода сушки костных тканей гидробионтов и конструкции оборудования для его реализации;

- исследовать закономерности вакуумной сушки костной ткани трески и судака, установить влияние режимных параметров процесса на темп обезвоживания продукта;

- исследовать и определить допустимые сроки хранения пищевой костной добавки из трески и судака;

- разработать техническую документацию на изготовление натуральной пищевой костной добавки из гидробионтов;

- разработать машинно-аппаратурное оформление технологического процесса производства пищевой натуральной добавки и оценить экономическую эффективность ее промышленного производства.

Научная новизна работы. Разработана и научно обоснованы технология пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов и способы ее получения. В результате экспериментальных исследований выявлены кинетические закономерности процесса сушки костного сырья трески и судака при пониженном давлении. Разработана математическая модель процесса вакуумной сушки исследуемых объектов, описывающая влияние режимных параметров (температуры греющих теплообменников и давления внутри аппарата) на темп обезвоживания продукта. Обоснованы допустимые сроки хранения пищевой натуральной костной добавки из гидробионтов.

Новизна технологических решений подтверждена получением двух патентов на изобретения и двух положительных решений ВНИИГПЭ на патент изобретение и полезную модель: «Способ производства пищевой добавки из отходов переработки рыбы» (Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э., Мажаров А.В. и др.) Заявка № 2010130406 Приоритет от 22.07.2010. Положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче патента на изобретение от 14.07.2011; «Установка для вакуумной сушки» (Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э., Мажаров А.В. и др.) Заявка № 2011127562 Приоритет от 05.07.2011. Положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче патента на полезную модель от 19.08.2011.

Практическая значимость работы. Разработана ресурсосберегающая технология пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов. Предложено три способа получения пищевой добавки. Разработаны и утверждены проекты технической документации на «Пищевое вторичное сырье мороженое, предназначенное для изготовления натуральной минеральной добавки из гидробионтов», « Натуральная минеральная добавка из гидробионтов», «Технологическая инструкция по изготовлению натуральной минеральной добавки из гидробионтов». Разработана новая конструкция сушильного оборудования. Результаты исследований и практические разработки, содержащиеся в диссертации и интеллектуальная собственность автора переданы в ФГБОУ «КГТУ» для создания малого предприятия «Биотек» с целью их промышленного внедрения. Определена себестоимость производства пищевой добавки из вторичных отходов гидробионтов по промышленной технологии, которая составляет 170,2 руб./кг. Прибыль предприятия при выпуске 5500 кг/месяц составляет 2244000 руб./год.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

Технология пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов.

Способы получения пищевой добавки из костной ткани гидробионтов.

Кинетические закономерности и математическая модель процесса сушки костной ткани гидробионтов при пониженном давлении.

Апробация работы Основные результаты исследований были представлены на V международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2007» (Калининград, 2007), III международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ГОУВПО Воронежской государственной технологической академии «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2009), V11 международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2009» (Калининград, 2009), Partnering and Exhibition on Biotechnology and Bioenergy (Moscow, Russia, 2010), VIII Международной научной конференции, посвященной 80-летию образования университета «Инновации в науке и образовании - 2010» (Калининград, 2010), VII международной научно-практической конференции «Найновите научни постижения - 2011» (София, 2011), IV научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология для здорового питания и решения медико-социальных проблем» (Светлогорск, 2011).

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и два патента на изобретения. Получены положительные решения на два патента на изобретение и полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературы и 8 приложений. Основное содержание работы изложено на 165 страницах компьютерного текста, содержит 26 таблиц и 29 рисунков. Список литературных источников включает 142 наименования, в том числе 14 иностранных авторов.

2. Содержание диссертационной работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель исследований и научная новизна, показана практическая ценность полученных результатов.

В первом разделе «Обзор литературы» приводится обзор современного состояния вопроса: в области получения и применения пищевых добавок из гидробионтов - показан потенциал недоиспользуемых рыбных ресурсов и возможность их применения; в области применения вторичных рыбных ресурсов и перспектив их использования - проанализированы существующие направления переработки костных тканей гидробионтов; в области сушки пищевых продуктов - рассмотрены этапы развития теоретических исследований и технологии сушки. Проанализированы способы и методы сушки, в частности, вакуумной сушки.

Во втором разделе «Описание экспериментальной установки и методики исследования» представлено описание экспериментальной установки и методики исследования. Общая схема исследований представлена на рис. 1 в виде программно-целевой модели.

В качестве объекта исследования было выбрано вторичное сырье рыбообрабатывающих производств: рыбные кости без прирезей мышечной ткани судака и трески Куршского залива Балтийского моря. Выбор их в качестве объектов исследования был обусловлен следующими соображениями: данные виды рыб являются основным сырьем на рыбообрабатывающих предприятиях; выбранные объекты значительно отличаются по химическому составу.

Наличие в экспериментальных исследованиях образцов с такими различными свойствами позволило сделать обобщение по особенностям процесса вакуумной сушки в зависимости от свойств рыбной кости как объекта сушки.

Рисунок 1. Программно-целевая модель исследований

Массовый состав судака и трески, представлен в таблице 1.

Таблица 1. Массовый состав судака и трески

Вид рыбы	Массовый состав, %
	Мышечная ткань	Голова	Кожа	Кости, хрящи	Плавники	Внутренности
Судак	53,0	19,0	3,5	7,5	5,5	9,5
Треска	49,0	20,0	3,5	8,0	2,0	16,0

Химический состав отдельных частей тела рыбы представлен в таблицах 2-4.

Таблица 2. Химический состав компонентов судака

Наименование компонента	Химический состав, %
	вода	жир	сухие вещества
Мышечная ткань	78,1	1,35	20,55
Голова	69,8	4,3	25,9
Кожа	67,0	1,0	32,0
Кости, хрящи	61,5	7,5	31,0
Плавники	64,5	2,3	33,2
Внутренности	56,5	29,0	14,5

Таблица 3. Химический состав компонентов трески

Наименование компонента	Химический состав, %
	вода	жир	сухие вещества
Мышечная ткань	80,3	0,7	19,0
Голова	79,5	0,4	20,1
Кожа	69,8	0,4	29,8
Кости, хрящи	73,8	0,5	25,7
Плавники	73,0	1,3	25,3
Внутренности	43,5	44,0	12,5

Таблица 4. Химический состав различных частей и компонентов рыб

Вид	Кожа	Голова	Кости	Плавники
	белок	жир	зола	белок	жир	зола	белок	жир	зола	белок	жир	зола
Судак	30,6	1,1	1,8	17,1	4,2	9,4	17,8	7,8	12,0	18,5	2,5	14,3
Треска				14,2	0,4	5,7	14,9	0,5	10,5

Из данных таблиц 2-4 следует, что костные ткани являются поставщиками минеральных веществ.

Принципиальная схема экспериментальной установки для вакуумной сушки представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема экспериментальной сушильной установки: 1 - сушильная вакуумная камера; 2, 3 - насосы водяные циркуляционные; 4 - греющие плиты (теплообменник); 5 - эжектор водяной; 6 - бак водосборник; 7 - охлаждающий контур сушильной установки; 8 - бак расширительный; 9 - насос водяной; 10 - водонагреватель; 11,12 - вакуумный вентиль; 13 - испаритель холодильной установки

Установка работает следующим образом. Рыбная кость раскладывается равномерным слоем на сетчатые поддоны. Поддоны устанавливают в теплообменник (4) между греющими плитами. Теплообменник с поддонами опускается в вакуумную камеру (1). Вакуумная камера герметично закрывается. Для создания необходимого давления разряжения в сушильной вакуумной камере (1) включается водяной эжектор (5) и открывается вакуумный вентиль (11). Для нагрева греющих плит включается водонагреватель (10). Между конденсатором (внутренняя поверхность цилиндрической вакуумной камеры) и греющими плитами создается разность температур. В процессе сушки влага из продукта испаряется и конденсируется на внутренней поверхности цилиндрической вакуумной камеры и стекает в бак водосборник (6). После выхода на режим сушки температура на греющих плитах и давление внутри вакуумной камеры поддерживаются автоматически и могут меняться при необходимости приборами контроля и управления. Для измерения давления, температуры в сушильной камере и в продукте используются следующие приборы: преобразователь давления Элемер АИР-20, оборудованный интерфейсом RS232 для связи с компьютером, платиновые термометры сопротивления микроконтроллер Термодат - 13 Е1, оборудованный интерфейсом RS485 для связи с компьютером. Погрешность результатов измерения не превышает 0,05%.

Методика экспериментальных исследований вакуумной сушки рыбной кости

Для измерения температуры в центр хребтовой рыбной кости без прирезей мышечной ткани устанавливали термометры сопротивления. Вначале эксперимента измеряли начальную влажность продукта. Влагосодержание кости определяли стандартным методом высушиванием навески до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105 єС. Рыбную кость раскладывали равномерным одинарным слоем толщиной 1,5-2 см. на сетчатые поддоны. Поддоны с рыбной костью устанавливали в вакуумную камеру на греющие плиты. Сушильную камеру герметично закрывали, установку запускали в работу. После выхода в режим (на заданное давление) значения температуры в центре рыбной кости фиксировались через каждые 15 минут. В процессе сушки по истечении определенного времени вскрывали камеру и измеряли промежуточную влажность рыбной кости, в конце процесса сушки замеряли конечную влажность продукта. Эксперименты проводились при температуре греющих плит 70 єС, 80 єС и 90 єС и абсолютном давлении внутри вакуумной камеры 1,6 кПа, 2,0 кПа и 2,4 кПа.

При проведении предварительных экспериментов было проанализировано влияние температуры внутренней поверхности охлаждающего контура на интенсивность обезвоживания продукта. Установлено, что в силу конструктивных особенностей сушильной установки режим вакуумной сушки не может переходить в режим вакуум - сублимационной сушки, что обеспечивает определенное преимущество данной конструкции, и температура поверхности охлаждающего контура составляет t_пов = 2-6єС, влияние которой на скорость удаления влаги из продукта незначительно. Температурный градиент, обусловленный разницей температур греющих плит Т и продуктом, в котором температура испарения влаги взаимосвязана с величиной вакуума внутри аппарата, оказывает существенное влияние на интенсивность процесса обезвоживания продукта.

Таким образом при вакуумной сушке влияющими факторами процесса являются температура греющих плит (теплообменников) сушильной установки Т и абсолютное давление внутри камеры аппарата Р.

В качестве параметра оптимизации выбран темп обезвоживания продукта, характеризующий скорость удаления влаги за процесс:

V= (W_o^с - W_k^с )/ ф, (1)

где W_o^с; W_k^с - начальная и конечная влажность продукта, отнесенная к сухой массе, %;

ф - продолжительность сушки, мин.

При этом ставится задача определить, при каких параметрах процесса будет обеспечена минимальная продолжительность и максимальная производительность установки по готовому продукту. Ограничением является влажность конечного продукта и его качество.

При определении вида уравнения регрессии исходим из предпосылки, что если поверхность, на которой находится искомая точка оптимального соотношения режимных параметров сушки криволинейна, то варьируя факторами можно получить возможность с минимальной ошибкой аппроксимировать эту поверхность полиномом второго порядка:

, (2)

где у - обобщенный параметр оптимизации; b_o, b_i, b_i1, b_ii - коэффициенты регрессии;

x_i, x ₁ - кодированные значения факторов.

В соответствии с известным методом планирования был реализован полный факторный эксперимент типа 3І. Уровни и интервалы варьирования факторами представлены в таблице 5.

Таблица 5. Уровни и интервалы варьирования факторами

Факторы	Кодовые обозначения	Интервалы варьирования	Уровни факторов
			Основной 0	Верхний +1	Нижний -1
Т - температура греющих плит, Сє	x 1	10	80	90	70
Р - абсолютное давление внутри аппарата, кПа	x 2	0,4	2,0	2,4	1,6

Методы исследования

Определение массовой доли влаги, массовой доли белковых веществ (сырого протеина по общему азоту), массовой доли золы, массовой доли жира, кислотного числа, перекисного числа, а также микробиологические показатели выполняли стандартными методами. Массовую долю минеральных веществ определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на атомно-абсорбционном спектрометре АА280Z фирмы Varian с графитовой кюветой, источниками резонансного излучения определяемых элементов, а также приставкой для генерации гидридов Varian VGA77.

В третьем разделе «Результаты исследования и их обсуждение» на основании проведенных экспериментов и на основе изученных литературных данных выбрана технология получения пищевой добавки из тонкоизмельченной костной рыбной ткани. Подобрана следующая совокупность технологических операций по получению готового пищевого порошка из тонкоизмельченной костной ткани: предварительное измельчение, варка, очистка кости от прирезей мышечной ткани, сушка, тонкое измельчение.

В технологическом процессе получения пищевой добавки из тонкоизмельченной рыбной кости предусмотрена варка сырья, которая осуществляется для разрушения структуры тканей и ослабления связи между белковыми и жировыми клетками. Процесс сопровождается отделением прирези мышечной ткани от костной, а также мойкой сырья. Так как варка является термическим процессом, проводились исследования по определению химического состава и содержания макро- и микроэлементов до и после варки, результаты которых представлены в таблице 6.

Таблица 6. Химический состав кости судака и трески до и после варки

Сырье	Показатели
	Массовая доля, %	Содержание, %	Содержание, мг/кг
	Жир	Белок	Влага	Зола	К	P	Cа	Na	Mn	Fe	Cu	Al	Sn
Судак	10,2	14,7	48,1	26,9	0,17	2,50	3,40	0,16	7,3	3,6	2,5	0,1	0,01
Судак (отварной)	9,1	13,6	43,4	33,8	0,08	4,90	5,20	0,245	10,0	11,7	4,5	0,1	0,01
Треска	0,3	13,0	71,0	15,6	0,10	1,90	2,40	0,10	5,7	8,0	1,5	0,1	0,01
Треска (отварная)	0,3	12,9	56,6	30,1	0,08	5,60	4,40	0,21	21,7	4,1	3,8	0,1	0,01



Из анализа данных таблицы 6 видно, что осуществление варки не приводит к какому-либо существенному уменьшению количества макро- и микроэлементов, а следовательно, и к ухудшению качества по сравнению с нативными образцами.

Кинетика сушки рыбной кости. В вакуумных аппаратах, в частности в экспериментальной вакуумной сушильной установке, затруднен отбор проб исследуемого продукта для определения текущей влажности ввиду того, что необходим выход на заданное давление процесса сушки, поэтому для построения кривых сушки в основу расчета принимали оба значения влажности ? начальное и конечное, что позволило распределить погрешность эксперимента на всю длину кривой сушки, снижая ошибку при дальнейшей ее обработке. Кроме того, ряд экспериментов прерывали для контрольного определения текущей влажности исследуемого образца.

На рис. 3 представлены термограммы (1, 2, 3) и кривые сушки (1, 2) кости трески при различных значениях температуры греющей плиты Т = 90, 80, 70С и абсолютном давлении внутри сушильной установки р = 2,0кПа.

Рисунок 3. Термограммы (1, 2, 3) и кривые сушки (1, 2) кости трески при различных значениях температуры греющей плиты 1 ? Т = 90С; 2? Т=80С; 3 ? Т = 70С; 1 ? W(), Т = 90С; 2 ? W(), Т = 80С



Из рассмотрения рис. 3 видно, что исследуемые зависимости имеют вид, характерный для коллоидных капиллярно-пористых тел, к которым относятся большинство пищевых продуктов. При постоянной величине давления вакуума внутри сушильной камеры термовлагопроводность, как известно, определяется молекулярной термодиффузией влаги за счет перемещения влаги из-за разной скорости молекул различно нагретых слоев продукта и капиллярной проводимости, возникающей из-за изменения капиллярного потенциала.

Влияние температуры греющей плиты вакуумной сушильной установки видно из сопоставления кривых 1, 2, 3 на рис. 3 при Т = 70С процесс сушки рыбной кости характеризуется низкой интенсивностью (кривая 3), что объясняется недостаточным потенциалом термовлагопроводности. Повышение температуры греющей плиты до 90С также приводит к ухудшению условий сушки исследуемого объекта, так как перегрев его поверхностных слоев приводит к образованию «корки», препятствующей термовлагодиффузии.

Изменение давления внутри сушильной установки (1,6 и 2,4 кПа) также не приводит к интенсификации процесса, поэтому значения влияющих факторов, соответствующих данным кривой 2 (рис. 3) следует считать рациональными (близкими к оптимальным) для процесса вакуумной сушки кости трески.



Рисунок 4. Термограммы (1, 2) и кривые сушки (1, 2) кости судака при различных значениях температуры греющей плиты 1 ? Т = 90С; 2? Т = 80С; 1 ? W(), Т = 90С; 2 ? W(), Т = 80С

На рис. 4 представлены термограммы (1, 2) и кривые сушки (1, 2) кости судака при различных значениях температуры греющей плиты Т = 90, 80С и абсолютном давлении внутри сушильной установки р = 2,4кПа.

Исходя из аналогичных рассуждений (сушка кости трески), наиболее рациональным следует признать процесс сушки исследуемого объекта с параметрами, соответствующими кривой 1. Прямого сопоставления двух исследуемых объектов вакуумной сушки рыбной кости судака и трески с точки зрения оптимизации процесса сушки по данным рис. 3, 4 сделать нельзя, так как исследуемые образцы отличаются химическим составом ? прежде всего начальным влагосодержанием и содержанием жира. Высокое содержание жира в костях судака следует признать причиной, вызывающей дополнительные сложности в механизме термовлагодиффузии при сушке.

На рис. 5 представлены кривые кинетики сушки костной ткани трески. Значения текущей влажности материала W^с вычисляли по отношению массы влаги в продукте к массе абсолютно сухого вещества. Естественно, что кривые сушки рыбной кости 1 и 2 имеют характер зависимостей, аналогичный данным рис. 3. При этом для них справедливы те же рассуждения о происходящей физике процесса обезвоживания. Кривые 3 и 4 характеризуют закономерности изменения скорости сушки dW^c/dф = f(W^c) и более наглядно отображают характерные периоды обезвоживания материала. Период разогрева, который часто исключают из анализа процесса, мал по продолжительности и соответствует правой части кривых 3, 4, для которых характерен быстрый рост скорости сушки. Период постоянной скорости обезвоживания (I), для которого dW^c/ d ф = N = Const, показывает, что при одинаковых свойствах объекта обработки (влажности, жирности) величина N определяется режимными параметрами процесса. В данном случае параметры, соответствующие кривой 4, характеризуют более интенсивный режим обезвоживания материала и, как следует из предыдущих рассуждений, близкий к оптимальному. Период подающей скорости обезвоживания (II) (левая часть рис. 5) имеет вид, присущий однородному капиллярно-пористому телу. Сопоставление кривых кинетики рыбной кости трески с аналогичными зависимостями для целого рыбного сырья показывает их различие, связанное с характером кривых периода подающей скорости обезвоживания, что объясняется различием структур и, свойств сопоставляемых объектов.

Рисунок 5 - Кривые сушки (1 при Т = 90С, 2 при Т = 80С) и скорости сушки (3 при Т = 90С, 4 при Т = 80С) кости трески, р = 2,0кПа



Рисунок 6. Кривые сушки (1 при Т = 90С, 2 при Т = 80С) и скорости сушки (3 при Т = 90С, 4 при Т = 80С) кости судака, р = 2,4кПа

На рис. 6 представлены кривые кинетики сушки костной ткани судака. Сопоставление данных рис. 5 и 6 показывают их качественное совпадение, за исключением небольших отличий в характере кривых, соответствующих периоду падающей скорости обезвоживания. Как отмечалось выше, вероятно это связано с различием процесса обезвоживания микрокапиллярной осмотически связанной влаги. Количественное различие данных рис. 5 и 6 связано с различием исследуемых образцов по начальному влагосодержанию и жирности.

Влияние режимных параметров при вакуумной сушке кости трески и судака.

Матрица планирования и результаты опытов представлены в таблице 7.

Таблица 7. Результаты опытов по сушке рыбной кости трески и судака

№ п/п	х1	х2	х1х2	х12	х22	треска,	судак,
							, мин	y		, мин	y
1.	-1	-1	+1	+1	+1	10,25	240	0,520	8,93	175	0,487
2.	-1	0	0	+1	0	7,30	165	0,774	6,61	170	0,515
3.	-1	+1	-1	+1	+1	8,34	165	0,768	6,55	170	0,516
4.	0	-1	0	0	+1	8,93	240	0,525	5,71	170	0520
5.	0	0	0	0	0	3,09	155	0,851	4,38	170	0,528
6.	0	+1	0	0	+1	4,27	155	0,843	4,27	160	0,562
7.	+1	-1	-1	+1	0	4,71	185	0,704	3,95	150	0,602
8.	+1	+	0	+1	0	3,95	175	0,749	3,15	150	0,607
9.	+1	+1	+1	+1	+1	6,61	155	0,828	3,15	140	0,650

Реализация плана экспериментов и обработка полученных данных, проведенная с помощью компьютерной программы DataFit Ver. 9.0.59, позволила получить следующие уравнения регрессии, адекватно описывающие влияние факторов на темп вакуумной сушки (множественный коэффициент детерминации R² = 0,95).

В кодированных значениях факторов

Для трески y = 0,8019 + 0,0365x₁ + 0,115x₂ - 0, 031x₁x₂ - 1,583 ·10^-2x₁² - 0,093x₂². (3)

Для судака y = 0,5325 + 5,6833 ·10^-2x₁ + 1,9833·10² x₂ + 4,750 ·10^-3x₁x₂ +

+ 2,6167 ·10^-2x₁² + 6,1667·10^-3·x₂². (4)

В натуральных значениях факторов

Для трески v = - 7,9098 + 1,1071Т + 0,1763Р - 7, 750 ·10^-3ТР - 9,8958·10^-2Т² - 9,3333·10^-4Р². (5)

Для судака v = 1, 3285 - 0,6071Т -1,0258 ·10^-2Р +1,187 ·10^-3ТР +

+ 0,1635Т² + 6,1667·10^-5Р². (6)

Полученное уравнение регрессии позволяет не только предсказать значение функции отклика для заданных условий реализации процесса вакуумной сушки рыбной кости, но и дают информацию о форме поверхности отклика, которые представлены на рис. 7 и 8.



Рисунок 7. Поверхности функции отклика у(х₁;х₂) в выбранной области факторного пространства для кости трески

Рисунок 8. Поверхности функции отклика у(х₁;х₂) в выбранной области факторного пространства для кости судака

В четвертом разделе «Практическая реализация результатов исследований»

разработана технология получения пищевой добавки из тонкоизмельченной костной ткани, которая прошла опытную апробацию.

На основании результатов проведенных исследований подобрано технологическое оборудование и разработана машинно-аппаратурная схема технологического процесса получения пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов, разработаны технические условия «Пищевое вторичное рыбное сырье мороженое, предназначенное для изготовления натуральной минеральной добавки из гидробионтов» и «Натуральная минеральная добавка из гидробионтов» и «Технологическая инструкция по изготовлению натуральной минеральной добавки из гидробионтов».

Технология получения пищевой добавки из тонкоизмельченной костной ткани (рис. 9) была выбрана на основании проведенных экспериментов.

Сырье

v

Измельчение

v

Варка

v

Центрифугирование

v

Сушка

v

Измельчение

v

Упаковка

v

Хранение

Рисунок 9. Технологическая схема получения пищевой добавки из тонкоизмельченной костной ткани

Описание технологического процесса приводится в технической документации, данной в приложении.

Сырье. В качестве сырья для получения тонкоизмельченной костной ткани используется вторичное сырье - кости с прирезями мышечной ткани, полученные при разделке рыбы на филе.

Измельчение. До варки и сушки костную ткань с прирезями мышечной ткани измельчают до кусков размеров 100-150мм. Данный процесс является крупным дроблением. Для реализации данного процесса возможно использовать дробилки.

Варка. Варка сырья осуществляется для разрушения структуры тканей и ослабления связей между белковыми и жировыми клетками. Связанная масса легко отделяется от костей, чем определяется окончание процесса варки. Кости варят при температуре 80-95єС в зависимости от содержания жира и размеров сырья.

Центрифугирование. Центрифугирование применяется для отделения остаточной мышечной ткани от костей и удаления влаги.

Сушка. Сушка рыбной кости предназначена для уменьшения влажности, что обеспечивает продолжительное хранение и улучшает транспортабельность.

Кости подвергаются вакуумной сушке при температуре греющих плит 70-90єС, абсолютном давлении внутри вакуумной камеры 1,6-2,4 кПа в зависимости от вида сырья. Окончание высушивания сырья для получения пищевой добавки определяется визуально: кости должны приобрести хрупкость, ломкость и цвет от белого до светло-бежевого. Для оптимального тонкого измельчения высушенной рыбной кости ее конечная влажность должна соответствовать 3-5%.

Измельчение. Тонкоизмельченная рыбная кость по физическим свойствам представляет собой воздушно-сухое полидисперсное вещество из частиц размерами 0,6…0,08 мм. Для получения тонкоизмельченной костной массы кости после сушки измельчаются на мельнице молоткового типа до размера частиц не более 0,6..0,08мм. В молотковых дробилках продукт измельчается ударами вращающихся шарнирно подвешенных молотков, а также при ударах кусков продукта друг о друга и о поверхность статора или отбойных плит.

Упаковка. Тара для упаковки должна обладать наименьшей влаго- и светопроницаемостью, чтобы обеспечить максимальное сохранение ценных свойств готового продукта в процессе хранения. Тонкоизмельченную рыбную кость упаковывают в бумажные многослойные, джутовые или крафт мешки.

Хранение. Упакованный продукт хранят в сухом хорошо вентилируемом помещении при температуре не выше 20єС и относительной влажности воздуха не более 75%. Срок хранения - 6 месяцев с даты изготовления.

Определение допустимых сроков хранения пищевой добавки из тонкоизмельченной костной ткани судака и трески. Сразу после изготовления и в процессе хранения через 1, 2, 4, 6 месяцев оценивали качество пищевой добавки по изменениям органолептических характеристик, по состоянию липидной фракции (кислотное и перекисное число), по уровню микробиологических показателей. Степень гидролиза жиров оценивали по значению кислотных чисел, окисления - по перекисным числам - изменениям в составе жирных кислот. Результаты исследования органолептических показателей пищевой добавки из тонкоизмельченной костной ткани трески и судака в процессе хранения показали, что на протяжении 6 месяцев показатели не изменяются: внешний вид - тонкоизмельченный, мелкодисперсный, легко рассыпающийся порошок; цвет - белый; запах - без запаха; вкус - характерный для данной продукции; наличие признаков окисления - отсутствуют.

Результаты исследования микробиологических показателей пищевой добавки из тонкоизмельченной кости трески в процессе хранения представлены в таблице 8 .



Таблица 8. Результаты исследования микробиологических показателей пищевой добавки из тонкоизмельченной костной ткани трески в процессе хранения

Наименование показателя	Значение показателя	Продолжительность хранения, мес.
		0	2	6
КМАФАнМ, КОЕ/г, не более	1x104	1,2х103	1,21х103	1,3х103
Масса продукта (г), в кото-рой не до-пускаются	БГКП (колиформы)	0,1	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
	E.coli	1,0	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
	S. aureus	1,0	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
	Патогенные, в.т.ч. сальмонеллы	25,0	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено

Аналогичные данные получены и для тонкоизмельченной костной ткани судака.

Данные об изменении кислотных и перекисных чисел жиров пищевой добавки из тонкоизмельченной рыбной кости судака и трески при хранении в течение 6 месяцев представлены на рис. 10 и 11.

Рисунок 10. Динамика кислотного числа жиров из тонкоизмельченной кости судака и трески: 1 - судак; 2 - треска



Рисунок 11. Динамика перекисных чисел из тонкоизмельченной кости судака и трески: 1 - судак; 2 - треска

Из рис. 10 видно, что на показатель кислотного числа влияют жирность исходного сырья и первичная технологическая обработка. Так кислотное число в жире из тонкоизмельченной кости трески ниже, чем из тонкоизмельченной кости судака, причем эта тенденция сохраняется в течение всего периода хранения. В то время как по перекисным числам (рис. 11) между жирами трески и судака в начальный период хранения достоверных изменений не обнаружено, во время последующего хранения перекисное число судака становится выше. Сопоставление значений перекисного окисления показывает, что в сырье из судака степень окисления жира выше, чем в сырье из трески.

Учитывая, что рыбные кости судака и трески хранили согласно методике при фактической влажности, соответствующей равновесной влажности которая составляет 10-12%, то для жиросодержащей кости судака (высокое значение перекисного числа) целесообразно хранение в вакуумной упаковке.

Из данных таблицы 8 и рис. 10 и 11 следует, что срок хранения пищевой добавки из тонкоизмельченной кости судака (в вакуумной упаковке) и трески достаточно высок, органолептические показатели, микробиологические показатели в течение 6 месяцев не ухудшаются, признаков окисления не проявляется.

В диссертации также рассмотрены три варианта получения пищевой добавки из отходов от переработки рыбы (по заявленным патентам) и предложен ее промышленный вариант, для которого рассчитана себестоимость продукта и предполагаемая прибыль предприятия.

Машинно-аппаратурная схема производства пищевой добавки из костной ткани гидробионтов представлена на рис. 12.

Рисунок 12. Машинно-аппаратурная схема производства пищевой добавки



Выводы

1. Разработана и научно обоснована технология пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов, полученная на основе рациональной переработки вторичных ресурсов.

2. Установлены кинетические закономерности вакуумной сушки костной ткани трески и судака при различных параметрах процесса: абсолютном давлении Р=1,6…2,4 КПа, температуры греющих плит Т=70…90єС.

3. Разработана математическая модель процесса вакуумной сушки костной ткани трески и судака, устанавливающая взаимосвязь параметров процесса: давления Р и температуры Т, на темп обезвоживания. Установлены рациональные параметры процесса: для костной ткани трески Р=2,0 КПа, Т=80єС; для костной ткани судака Р=2,4 КПа, Т=90єС. Различие параметров сушки двух исследуемых объектов объясняется их различием по начальному влагосодержанию и жирности.

4. Разработана машинно-аппаратурная схема технологического процесса получения пищевой натуральной добавки из костной ткани гидробионтов, предложены 4 варианта реализации технологического процесса.

5. Разработаны проекты технической документации на изготовление пищевой натуральной костной добавки из гидробионтов.

6. Обоснован допустимый срок хранения пищевой натуральной костной добавки из гидробионтов, который составляет не менее 6 месяцев.

7. Определена себестоимость производства пищевой добавки из вторичных отходов гидробионтов, которая составляет 170,2 руб./кг. Планируемая прибыль предприятия при выпуске 5500 кг/месяц составляет 2244000 руб./год.



Основные публикации

1. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э, Мажаров А.В. Технология пищевой добавки из рыбной кости: результаты исследования // Вестник МГТУ. 2010. Т. 13. № 4/1. С. 665-672.

2. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э, Мажаров А.В. Способ получения пищевой добавки из рыбной кости // Электронный научный журнал Серия «Процессы и аппараты пищевых производств» / ГОУ ВПО СПбГУНиПТ. СПб., 2010. Вып. 2. 7 с.

3. Фатыхов Ю.А., Мажаров А.В., Соловьев А.В. Перспективы использования рыбной кости в качестве функциональной добавки при производстве пищевых продуктов // Инновации в науке и образовании - 2007: V международная научная конференция (23-25 октября): труды / КГТУ. Калининград, 2007. С. 398-399.

4. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э, Мажаров А.В. Использование теплонасосной установки в процессе вакуумной сушки // Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности: III международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (22-24 сентября): материалы. Воронеж, 2009. С. 335-338.

5. Фатыхов Ю.А., Мажаров А.В., Соловьев А.В. Способ получения функциональной пищевой добавки из рыбной кости // Интенсификация технологических процессов и оборудования пищевых производств: межвуз. сб. наун. тр. КГТУ. Калининград, 2009. С. 41-45.

6. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э, Мажаров А.В. Экспериментальная установка для вакуумной сушки // «Инновации в науке и образовании - 2009»: труды VII международной научной конференции в 3-х частях. Ч. 1. Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009. С. 397-398.

7. Fatykhov Ju. A., Suslov A.E., Mahgarov A.V. Technology of fanctional food addition from fish bone // Partnering and Exhibition on Biotechnology and Bioenergy / World Trade Center, Moscow, Russia, April 13-15, 2010. Р. 253-254.

8. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э, Мажаров А.В. Кинетика сушки рыбной кости в вакуум-сушильной установке // Вестник Российской Академии естественных наук: сборник научных трудов, посвященный 80-летию образования КГТУ. Калининград: КГТУ, 2010. С. 157-163.

9. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э, Мажаров А.В. О влиянии режимных параметров на скорость вакуумной сушки рыбной кости // Инновации в науке и образовании - 2010: VIII Международная научная конференция, посвященная 80-летию образования университета: труды. Калининград: КГТУ, 2010. Ч. 2. С. 158-160.

10. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э., Мажаров А.В. Результаты экспериментального исследования вакуумной сушки рыбной кости // Известия КГТУ. Калининград, 2010. № 18. С. 36-43.

11. Математическая модель вакуумной сушки рыбной кости / Ю.А. Фатыхов, А.Э. Суслов, А.В. Мажаров, А.С. Бестужев // Найновите научни постижения - 2011: VII международная научно-практическая конференция (17-25 марта): материалы. София, 2011. С. 60-67.

12. Фатыхов Ю.А., Суслов А.Э., Мажаров А.В. Технология функциональной пищевой добавки из рыбной кости // Пищевая и морская биотехнология для здорового питания и решения медико-социальных проблем: IV научно-практическая конференция: материалы. М.: МАКС Пресс, 2011. С. 117-118.

13. Пат. 2432781 РФ, МПК А 23 L1/325. Способ получения пищевой добавки из отходов переработки рыбы / Ю.А. Фатыхов, А.В. Мажаров, А.Э. Суслов и др. Приоритет от 22.07.10. Опубл. 10.11.2011, БИ, № 31.

Размещено на Allbest.ru

...