, (53)
где
df = f1d1/f0 = f1Му/(f0Мисх) (54)
– доля фруктозы, оставшейся в межкристальной жидкости, по отношению к ее общему содержанию в исходном сиропе, использованном на первой стадии процесса (степень удержания фруктозы межкристальной жидкостью).
Наглядным критерием эффективности стадии кристаллизации с точки зрения ее полноты и селективности является степень осаждения глюкозы
dg=(1–f2)(1–d1)/(1–f0)=(1–f2)d2/(1–f0), (55)
где f2 – массовая доля фруктозы к СВ в выпавшей кристаллической фазе; d2 – доля углеводов, выпавших в виде кристаллов.
Установлена взаимосвязь относительной эффективности Е с основными характеристиками процесса разделения. В частности показано, что при высокой эффективности (Е > 80 %) выполняется простая связь
Е = df dg,
где df – степень удержания фруктозы межкристальной жидкостью, dg – степень осаждения глюкозы.
Введение критерия Е в качестве целевой функции позволяет оптимизировать технологические условия проведения процесса для ГФС любого исходного состава и сравнивать между собой достигнутые результаты по общей эффективности разделения глюкозы и фруктозы.
Разработаны и физико-химически обоснованы и другие технологические критерии, позволяющие всесторонне проанализировать процесс разделения глюкозы и фруктозы при избирательной кристаллизации глюкозно-фруктозных сиропов.
На основе экспериментальных данных построена фазовая диаграмма системы «ГФС-25 – изопропанол» при температуре кристаллизации 2 оС (Т = 275 К), которая приведена на рис. 22. На этой диаграмме изображены Т0 – фигуративная точка, точка Т1 соответствует составу межкристальной жидкости, точка Т2 – кристаллической фазе, состоящей из углеводов (глюкозы и фруктозы). Выше кривой растворимости в треугольнике Гиббса находится однофазная область, ниже – двухфазная.
Обработка экспериментальных данных показала, что связь параметра f1 (массовая доля фруктозы по отношению к СВ жидкой фазы) с m, f0 и СВ сиропа описывается общей формулой
. (56)
Интересно, что уравнение (56) справедливо, как показали исследования, кроме случая f0 = 0,25, также для построения математической модели избирательной кристаллизации ГФС-33 (f0 = 1/3), что говорит об ее относительной универсальности.
Использование уравнения (56) и фазовой диаграммы, приведенной на рис. 22 позволили построить подробную математическую модель избирательной экстракции. Результаты моделирования приведены на рис. 23.
|
|
На рис. 23 приведены оптимальные составы исходных сиропов (СВ) при заданном значении w = VИ/VВ (отношение объема добавленного изопропанола к объему воды, содержащейся в исходном сиропе), значения основных параметров кристаллизации f1, f2 и достигаемые максимумы Е. Из рисунка видно, что с ростом w от 0 до 4 оптимальное содержание сухих веществ сначала падает (от 61,68 % до 34,34 %) а затем при w > 4,282 монотонно возрастает, приближаясь к значению 50 %. На участке изменения параметра w от 0 до 4 максимальные значения эффективности Е растут строго линейно, а при w > 4 наблюдается ее скачок, что, видимо, объясняется, как было сказано ранее, распадом ассоциативного комплекса молекул глюкозы, фруктозы и воды, когда число молекул воды становится меньше числа молекул изопропанола в системе (w > 4,3). При w = 12 эффективность достигает 95 %, а содержание фруктозы в СВ межкристальной жидкости f1 близко к 90 %, причем, выпавшие кристаллы глюкозы не содержат фруктозы (f2 = 0). Это означает, что метод избирательной кристаллизации ГФС-25 может быть использован для получения ГФС-90 с высокой эффективностью, вторым продуктом процесса является чистая глюкоза, так же, как в общепринятом в настоящее время способе получения ВФС с помощью промышленной хроматографии. Предлагаемый автором метод технологически гораздо проще и не предъявляет высокие требования к чистоте сырья, легко может быть реализован на отечественных сахарных и крахмалопаточных предприятиях.
После подробного изучения закономерностей избирательной кристаллизации ГФС-25 (f0 = 0,25) следующим этапом исследований было изучение влияния содержания фруктозы к СВ исходного сиропа f0 на эффективность процесса при фиксированных значениях параметров СВ = 50 % и w = 10 ( см. табл. 4, рис. 24).
В таблице приведены основные характеристики избирательной кристаллизации ГФС. Помимо упомянутых ранее основных параметров f0, f1, f2, d1, k, E использованы следующие общие характеристики процесса, не зависящие от целевого конечного значения содержания фруктозы в продукте F:
∆f = f1 – f2, (57)
df = f1d1/f0,
dg = (1 – f2)d2/(1 – f0),
где ∆f – степень обогащения, df – степень удержания фруктозы межкристальной жидкостью, dg – степень осаждения глюкозы.
Таблица 4 – Сравнительные характеристики избирательной кристаллизации ГФС-100f0 при t = 2 oC, СВ = 50 %, w = 10
f0, % | d1, % | f1, % | f2, % | ∆f, % | k | E, % | df, % | dg, % | Y55, % | Df, % | DF, % |
25,00 | 29,20 | 81,68 | 1,62 | 80,06 | 50,42 | 88,27 | 95,40 | 92,87 | 55,17 | 96,36 | 43,80 |
33,33 | 33,21 | 91,51 | 4,40 | 87,11 | 20,80 | 86,95 | 91,18 | 95,77 | 89,16 | 94,35 | 57,17 |
40,00 | 35,60 | 88,65 | 13,11 | 75,54 | 6,76 | 72,16 | 78,90 | 93,27 | 115,46 | 88,26 | 64,19 |
50,00 | 35,38 | 86,38 | 30,08 | 56,30 | 2,87 | 51,48 | 61,12 | 90,36 | 257,42 | 87,93 | 79,94 |
Рисунок 24 – Относительное содержание фруктозы к СВ межкристальной жидкости f1
и в кристаллах f2 при w = 10 (СВ = 50 %) как функция от f0
Физически ясно, что интегральная эффективность разделения моносахаров при избирательной кристаллизации Е тем выше, чем больше df и dg, что выражается в функциональной связи между ними
. (58)
Из уравнения (58) вытекает, если f1 → 1 и/или f2 → 0, то
Е → df dg . (59)
Практически это означает, что при df, dg > 0,9 (90 %) достаточно точно выполняется Е = df dg, в чем легко убедиться численно из данных, приведенных в таблице для случаев f0 = 25% и f0 = 33,33 %.
Последние три характеристики в таблице рассчитаны для F = 0,55
, (60)
, (61)
, (62)
где Y55 – выход ГФС-55, Df – степень извлечения фруктозы из сырья, DF – степень переработки сырья в конечный продукт.
Наибольшее значение f1 = 91,51 % получено при кристаллизации ГФС-33 (f0 = 1/3). В этом случае выпавшие кристаллы состоят в основном из глюкозы, а содержание фруктозы в них составляет f2 = 4,40 %. Кристаллизация ГФС-33 в указанных условиях имеет также наибольшие значения степени обогащения межкристальной жидкости фруктозой ∆f и степени осаждения глюкозы dg, при этом относительная эффективность разделения компонентов при кристаллизации составляет 87 %. С целью выяснения роли температуры кристаллизации нами был проведен аналогичный опыт с ГФС-33 при температуре 25 оС, что привело к резкому ухудшению основных характеристик процесса: содержание фруктозы в межкристальной жидкости с 91,5 % снизилось до 74,7 %, относительная эффективность упала с 87 % до 75 %, а содержание фруктозы в кристаллах выросло с 4,4 % до 5,4 %.
Таким образом, среди четырех изученных составов исходного сиропа для практической реализации следует выбрать именно ГФС-33, причем низкая температура кристаллизации – необходимый фактор ее эффективности.
При дальнейшем увеличении f0 в исходном сиропе происходит замедление процесса кристаллизации, вызванное межмолекулярным взаимодействием глюкозы и фруктозы, затрудняющим образование первичных центров кристаллизации. Тем не менее, при достаточной длительности процесса и значительном количестве добавленного изопропанола представляется реальным получение межкристальной жидкости с f1 = 90 %, хотя селективность осаждения глюкозы для исходных ГФС-40 и ГФС-50 (инвертного сиропа), видимо, не будет достигнута.
В целом, экспериментальные результаты говорят о том, что при любом значении f0 от 25 до 50 % предлагаемый метод избирательной кристаллизации позволяет переработать ГФС-100f0 в высокофруктозный ГФС-90, который в свою очередь может служить сырьем для получения чистой фруктозы.
В данной работе инвертный сироп моделировали искусственно приготовленным глюкозно-фруктозным сиропом с равным количеством глюкозы и фруктозы (f0 = 50 %), который, как видно из таблицы, дает выход ГФС-55 более 250 %, что в 5 раз выше, чем реально достижимые аналогичные выходы при использовании метода избирательной экстракции. Однако, практическая реализация метода избирательной кристаллизации инвертного сиропа затруднена длительным сроком достижения термодинамического равновесия – более 50 суток. Тем не менее, инвертный сироп весьма эффективно может быть использован в качестве разбавителя ГФС-90 с целью получения высокофруктозного сиропа второго поколения ГФС-55. Расчеты материального баланса углеводов показывают, что в таком случае на одну тонну сухого вещества ГФС-90 потребуется около 4 т инвертного сахара, содержащего 45-46 % фруктозы.
Таким образом, на наш взгляд оптимальной представляется совместная переработка ГФС-33 и сахарозы в высокофруктозные сиропы ГФС-90 и ГФС-55 согласно предлагаемой на рис. 25 технологической схеме.
Важным преимуществом этой схемы является использование в качестве сырья вместо общепринятого ГФС-42 сиропа, содержащего 33 % фруктозы к СВ, который может быть получен без применения дорогих зарубежных иммобилизованных ферментов. Технология производства ГФС-33 из крахмала разработана во ВНИИ крахмалопродуктов РАСХН и прошла успешные испытания на российских крахмалопаточных предприятиях. Как было отмечено, способ получения ГФС-90 методом избирательной кристаллизации показывает наилучшие характеристики при использовании в качестве исходного ГФС-33. Для очистки сухих веществ от следов изопропанола в соответствии с патентом РФ № 000 изопропанол и воду межкристальной жидкости полностью отгоняют в вакуумных сушилках, а конечный сироп получают добавлением воды до необходимого содержания СВ. Изопропанол возвращают на стадию кристаллизации после его очистки в ректификационной колонне.
Получаемые по технологической схеме глюкозу можно переработать в ГФС-33 ее ферментативной изомеризацией, а ГФС-90 – в чистую фруктозу перекристаллизацией.
Способ получения высокофруктозного сиропа путем обогащения фруктозой глюкозно-фруктозных сиропов с выделением глюкозы методом кристаллизации из водно-органических сред прошел опытно-производственные испытания на опытно-производственной базе ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов РАСХН. Способ разработан на кафедре «Товароведение и основы пищевых производств» МГУПП совместно с ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов в соответствии с планом НИОКР (№10.02.05.04 за 2008 г.) научно-технической программы Россельхозакадемии.
Установлено, что данный способ является достаточно эффективным и может быть использован в технологических схемах отечественного производства ГФС-55 из глюкозно-фруктозных сиропов с низким содержанием фруктозы (20-35% к массе сухих веществ). Акт испытаний способа получения ВФС приведен в Приложении к диссертационной работе.
Рисунок 25 – Принципиальная технологическая схема получения ГФС-90 и ГФС-55
Проведенные исследования позволили предложить достаточно простую технологию получения высокофруктозных сиропов и фруктозы для диверсификации крахмалопаточных и сахарных производств.
Разработаны новые способы очистки глюкозы и сахарозы методом избирательной кристаллизации в присутствии органических растворителей. Способы защищены патентами РФ (№ 000 и № 000) и позволяют из сахара-сырца получить пищевой кристаллический сахар высокой степени очистки без использования выпарных аппаратов и затравки, а из технической глюкозы – глюкозу фармакопейного качества.
Глава 8. Формирование потребительских предпочтений при выборе меда и продуктов на его основе
Как отмечалось выше, мед представляет собой глюкозно-фруктозный сироп природного происхождения, а также обладает уникальными лечебными, профилактическими, консервирующими свойствами, издревле и повсеместно используется человеком в чистом виде и в качестве компонента, значительно улучшающего вкус пищевых продуктов. Спрос на мед постоянно повышается, что связано со стремлением людей к здоровому образу жизни. Поскольку в настоящее время отсутствуют маркетинговые исследования, которые могли бы прояснить ситуацию на отечественном рынке меда, то представляет интерес выявить факторы, влияющие на потребителя при покупке меда и композиций на его основе.
Проведенные исследования показали, что у населения существует возрастающая потребность в употреблении меда. Наиболее важным показателем, оказывающим влияние на потребителя при покупке меда, является его качество, при этом вкусоароматические характеристики имеют решающее значение. Установлено, что значительное количество людей (38 %) регулярно употребляют мед с различными растительными добавками наиболее популярными из которых являются орехи и сухофрукты в меде. Выявлено, что ассортимент медовых плодово-ягодных композиций ограничен (7-15 % всего ассортимента меда и продуктов на его основе), особенно представленных отечественными производителями, что, по мнению потребителей, является сдерживающим фактором увеличения их спроса наряду с отсутствием информации о полезности ингредиентов композиций.
Проведенные маркетинговые исследования показали, что решающим фактором при выборе меда потребителями являются его вкусоароматические характеристики, свойственные желаемому виду меда. Учитывая данные обстоятельства, органолептическая оценка качества меда приобретает важное значение, как при проведении экспертизы в лаборатории, так и при выборе меда покупателями в торговых предприятиях.
До сих пор в научно-технической литературе приводится только описательный метод органолептической оценки качества натурального меда. Поскольку различные ботанические виды меда обладают разными органолептическими характеристиками, то для оценки каждого из них необходимо разработать соответствующую балловую шкалу. Для решения поставленной задачи были выбраны следующие виды меда – липовый, акациевый, подсолнечниковый и гречишный, т. к. они имеют наибольший удельный вес в общем объеме производства меда в России.
Впервые для товароведной оценки качества основных ботанических видов меда разработаны удобные в обращении 5-балловые шкалы с использованием коэффициентов весомости для отдельных показателей качества, позволяющие объективно оценить органолептические свойства натурального меда, успешно проводить анализ непрофессиональными дегустаторами, получить сравниваемые количественные результаты. Разработанные шкалы можно использовать в научно-исследовательской и учебной работе.
Однако при высоком результате оценки органолептических свойств продукта остается вероятность его ассортиментной (видовой) и качественной фальсификации.
Глава 9. Изменение физико-химических свойств цветочного меда при хранении. Комплексная оценка качества меда
Мед по основному химическому составу представляет собой глюкозно-фруктозный сироп, т. к. основную его часть составляют углеводы (глюкоза, фруктоза, мальтоза, сахароза, олигосахариды), общее содержание которых достигает 80 % к его массе. Глюкоза, фруктоза и мальтоза занимают большую часть от суммы всех сахаров. Физико-химические и органолептические свойства различных видов меда зависят от их соотношения и содержания воды.
Установление точного содержания углеводов и его изменения в процессе хранения позволяет определить натуральность и происхождение меда. Как уже отмечалось, литературные данные по химическому составу меда весьма противоречивы. Поэтому одной из задач исследования явилось установление точного состава сахаров натурального цветочного меда с помощью ВЭЖХ, который является наиболее точным методом анализа углеводов. Полученные усредненные результаты для меда со сроком хранения 6 – 30 месяцев после откачки из сотов при комнатной температуре 20…25 оС. представлены в табл. 5.
Из табл. 5 видно, что во всех образцах меда фруктозы содержится больше, чем глюкозы. Наибольшее содержание фруктозы обнаружено в акациевом меде, что соответствует литературным данным. Также подтвердилось, что в подсолнечниковом меде содержится мало мальтозы, хотя в других образцах найденное содержание мальтозы существенно превышает опубликованные значения. Если низкое содержание мальтозы (около 1,0 %) с высокой надежностью идентифицирует подсолнечниковый мед, то ее высокое содержание (7 – 9 %) характерно не только для липового, как отмечено в литературе, а также для акациевого меда.
Ферменты играют важную роль в процессах образования, созревания и дальнейшего изменения химического состава меда, а также имеют большое значение для определения его натуральности и качества. Противоречивые данные о составе меда можно объяснить значительными изменениями содержания углеводов при хранении под действием инвертаз, амилаз и других ферментов.
Таблица 5– Изменения углеводного состава цветочного меда при хранении
Вид меда, (консистенция) | Возраст меда, месяцы | Фруктоза, масс. % | Глюкоза, масс. % | Мальтоза, масс. % | Сахароза, масс. % | Олигосахариды, масс. % | Фруктоза/ Глюкоза |
Липовый (закристал.) | 6 18 30 | 34, 2 38,4 41,8 | 27,7 31,5 33,1 | 6,7 4,5 4,3 | 0,7 0,7 0,8 | 10,7 4,9 <0,2 | 1,23 1,22 1,26 |
Акациевый (жидкий) | 6 18 30 | 37,1 44,2 45,4 | 21,7 25,8 26,8 | 9,2 6,0 6,1 | 1,0 0,8 0,9 | 11,0 3,2 <0,2 | 1,71 1,71 1,69 |
Подсолнечни-ковый (закристал.) | 6 30 | 34,4 40,8 | 30,9 37,9 | 1,2 1,1 | 0,4 0,2 | 13,1 <0,2 | 1,11 1,08 |
Гречишный (закристал.) | 6 30 | 31,1 36,4 | 26,8 34,0 | 4,8 4,5 | 0,4 0,9 | 16,9 <0,2 | 1,16 1,07 |
Из табл. 5 видно, что в липовом, акациевом и подсолнечниковом медах массовое отношение фруктозы и глюкозы при хранении не изменяется, а у гречишного несколько уменьшается. Значительно падает содержание олигосахаридов и в меньшей степени мальтозы, что сопровождается повышением количества фруктозы, указывающее на протекание процесса изомеризации глюкозы во фруктозу, происходящее вслед за гидролизом мальтозы.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 |
