Влияние агроэкологических условий и приемов переработки на качество подсолнечного и других видов пектина

Актуальность исследований.

В настоящее время большое внимание уделяется повышению экологической безопасности производства продукции растениеводства. Антропогенное воздействие на экосистему проявляется с начала выращивания сельскохозяйственных культур до завершения технологических стадий получения конечного продукта.

Одним из важнейших продуктов растениеводства, обладающим высокой биологической активностью, является пектин. Физиологическая ценность пектина состоит в том, что он способствует нормальному протеканию биохимических процессов и предотвращению негативного воздействия токсикантов на организм человека. В настоящее время имеется дефицит пектина, среднесуточное потребление которого человеком должно составлять 2−16 г. Поэтому наряду с использованием традиционного пектинсодержащего сырья — свекловичного жома, яблочных и цитрусовых выжимок, с целью расширения сырьевой базы необходим поиск других источников его получения, одним из которых являются корзинки подсолнечника.

При получении пектина важным направлением является исследование влияния агротехнических условий выращивания пектинсодержащих культур на его свойства. Одним из таких приемов является десикация, заключающаяся в обработке растений препаратами контактного и системного действия. Имеются литературные данные о накоплении остаточных количеств пестицидов в семенах и масле подсолнечника, а также корзинках, используемых на корм скоту. Однако отсутствуют сведения о влиянии десикантов на свойства пектина. Выявление закономерностей взаимодействия десикантов с молекулами пектина, особенностей накопления их остаточных количеств в почве, оказывающих влияние на экосистему, а также условий минимального их содержания в готовой продукции, обеспечивающих ее безопасность и качество, представляет научный и практический интерес.

Существующие технологии выделения пектина из растительного сырья экологически опасны, так как включают использование значительных количеств кислот и органического растворителя — этанола. Безопасность производства пектина может быть повышена путем снижения количества используемых кислот или полного исключения технологических стадий кислотного гидролиза, спиртового выделения и очистки и их замены экологически целесообразными ферментативными, а также мембранно-сорбционными методами. Сведения о ферментативном гидролизе пектинсо-держащего сырья практически отсутствуют. Имеются данные о применении методов ультафильтрации и сорбции на ионитах в технологии очистки экстрактов свекловичного и некоторых других видов пектинов. Однако, в связи с тем, что подсолнечный пектин по сравнению с другими имеет ряд особенностей, при разработке его мембранно-сорбционной очистки необходимо выявление оптимальных параметров процесса.

В последнее время развиваются работы по выделению, очистке и исследованию свойств пектинов, полученных из нетрадиционного растительного сырья. Поэтому целесообразно провести сравнительное исследование свойств подсолнечного и некоторых других видов пектинов.

Следует сказать, что подсолнечный пектин по сравнению с другими обладает повышенной зольностью, которая влияет на его растворимость и детоксицирующие свойства. Поэтому представляется необходимой разработка приемов обеззоливания пектина с использованием комплексонов, применяемых в пищевой промышленности. Таким образом, разработка и совершенствование технологий получения качественного пектина при минимальной экологической опасности является актуальной задачей. Актуальность проблемы заключается также в том, что в России до сих пор не налажено производство пектина, а существующие технологии трудои энергоемки.

Цель и задачи исследования

.

Целью работы является выявление влияния агроэкологических условий выращивания подсолнечника на качество пектина и разработка экологически безопасных методов его выделения из отходов производства подсолнечника и других видов растительного сырья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 Установление влияния сортовых особенностей подсолнечника и применяемых агроприемов на урожайность, качество и выход пектина.

2 Выявление условий экологической безопасности применения десикантов на подсолнечнике.

3 Выявление особенностей физико-химических свойств подсолнечного пектина по сравнению с другими его видами.

4 Установление оптимальных условий очистки растительных экстрактов методами ультафильтрации, сорбции и комплексообразования.

5 Совершенствование технологии получения подсолнечного пектина и его использование в качестве функциональной добавки.

Научная новизна работы: Установлено влияние сортовых особенностей подсолнечника на урожайность, качество масла, выход и физико-химические показатели пектина. Выявлено влияние десикации посевов подсолнечника на урожайность. При почвенно-токсикологической оценке десикантов Ураган Форте и Реглон Супер отрицательного влияния на микробиологические показатели почвы при применении в производственных дозах не выявлено. Исследован механизм взаимодействия действующих веществ препаратов Реглон Супер и Ураган Форте с молекулами пектина. Впервые экспериментально подтверждено отсутствие химического взаимодействия исследуемых препаратов с полигалактуроновой кислотой. Компьютерным моделированием показан, а методом ИК — спектроскопии доказан факт перераспределения воды по степени связанности в присутствии действующих веществ препаратов. Выявлено преимущество препарата Реглон Супер, использование которого позволяет снизить энергозатраты на испарение на 8%. Установлено, что проведение десикации на посевах позволяет остановить развитие болезней и снизить потери урожая, что дает возможность локализовать очаги поражения и способствует увеличению выхода пектина с 7,4% на необработанных посевах до 8,5−8,7% на посевах, прошедших десикацию.

Проведена сравнительная оценка пектинов, полученных из различных источников сырья. Выявлено, что из корзинок подсолнечника, по сравнению с другими источниками, можно получить пектин высокого качества с выходом до 7,9%. Исследован процесс гидролиза — экстрагирования пектина из корзинок подсолнечника при различных рН. Выявлено, что для получения экстракта пектина оптимальным и экологически обоснованным является использование 0,4% раствора соляной кислоты. Исследовано влияние рН нейтрализации экстракта на производительность ультрафильтрационных мембран и выявлено его оптимальное значение, равное 3,1. Установлена высокая поглотительная способность ряда активированных углей по отношению к красящим веществам, содержащимся в соке растений. Выявлено, что перспективными для обеззоливания являются марки порошковидных углей ОУ — Б, вС 1230 и БСЬ 420. При использовании подсолнечного пектина в качестве добавки при выпечке хлеба установлено, что оптимальная доза пектина (0,5% к массе муки) повышает объемный выход хлеба на 6,1% и качество готовой продукции.

Практическая значимость работы:

Выявлено, что в условиях Воронежской области оптимальным по урожайности, качеству масла, выходу и качеству пектина является гибрид подсолнечника Вейделевский 99. Показано преимущество использования препарата Реглон Супер перед Ураган Форте при десикации подсолнечника. Выявлена оптимальная концентрация соляной кислоты в процессе гидролиза-экстрагирования пектина из корзинок подсолнечника. Установлено, что эко-лого-экономический эффект от снижения затрат кислоты составляет 247,1 тыс. руб. для производства пектина объемом 20 тыс. тонн. Усовершенствована технологическая схема выделения и очистки пектина из растительного сырья путем использования узлов ультрафильтрации, сорбции на активированных углях и комплексообразования. Показано, что очищенный таким образом пектин обладает высокой комплексообразующей способностью и может быть использован в производстве продуктов лечебно-профилактического назначения.

Разработана рецептура хлеба из пшеничной муки первого сорта «Солнечный» с подсолнечным пектином.

Положения, выносимые на защиту:

1 Оптимальным для получения высоких урожаев семян, качества масла и выхода пектина из корзинок подсолнечника является гибрид Вейделевский 99, обработанный десикантами Реглон Супер и Ураган Форте.

2 Десикация подсолнечника используемыми препаратами снижает степень связанности воды в пектине, не влияет на его качество и увеличивает выход, снижает распространение болезней и развитие корзиночных форм гнилей и не оказывает негативного влияния на микробное число почвы.

3 Выделенный из корзинок подсолнечника пектин по основным показателям близок к цитрусовому и значительно превосходит пектин, полученный из нетрадиционных источников. Оптимальным и экологически обоснованным приемом выделения подсолнечного пектина является гидролиз 0,4%-ным раствором соляной кислоты.

4 Высококачественный подсолнечный пектин может быть получен ультрафильтрацией нейтрализованного до рН 3,1 экстракта с последующей шестиступенчатой диафильтрацией с добавлением трилона Б в первую ее ступень. Обесцвечивание растительных экстрактов со степенью более 90% необходимо проводить порошкообразными марками активированных углей.

5 Оптимальной дозой подсолнечного пектина, используемого в качестве детоксицирующей добавки в рецептуре хлеба и повышающего его объемный выход и качество, является 0,5% к массе муки.

Достоверность результатов работы. Достоверность результатов подтверждается использованием современных физико-химических методов анализа, математических методов обработки данных, методов компьютерного моделирования, лабораторными и полевыми испытаниями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждены: на международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития агропромышленного комплекса» (Донской государственный аграрный университет, пос. Персианов-ский, 31 января — 3 февраля 2006 г) — на студенческой научной конференции «Актуальные проблемы в сельском хозяйстве» (Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Великие Луки, 9−10 марта 2006 г) — на научно-практической конференции «Российский пектин: история — настоящее — перспективы» (Воронежский государственный аграрный университет имени К. Д. Глинки, Воронеж, 1−3 ноября 2006 г) — на международной научно-практической конференции «Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукцию) (Мичуринский государственный аграрный университет, Мичуринск, 26−28 февраля 2007 г) — на международной научно-практической конференции «Иониты 2007» (Воронежский государственный университет, Воронеж, 17−21 сентября 2007 г) — на международной научно-практической конференции «Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства» (Воронежский государственный аграрный университет имени К. Д. Глинки, Воронеж, 23−24 октября 2007 г) — на научных и учебно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета имени К. Д. Глинки (Воронеж 2004;2006 г. г.).

Работа выполнена в соответствии с координационным планом научного совета РАН по адсорбции и хроматографии на 2005;2009 г. г. (раздел 2.15.6.2: «Исследование межмолекулярных и гидратационных взаимодействий, кинетики и механизма массопереноса в ионитах и ионообменных мембранах в системах с органическими электролитами и полиэлектролитами») и плану НИР ВГАУ на 2006;2010 г. г. (тема № 6: «Разработка научных основ формирования устойчивых агроэкосистем ЦЧР» № 01.200.1 003 985).

Публикации. По теме исследования опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 в изданиях, реферируемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и рекомендаций по практическому применению. Общий объем диссертации состоит из 179 страниц, в том числе 46 рисунков и 28 таблиц. В списке используемой литературы приведено 170 библиографических ссылок на отечественные и иностранные источники. Приложения даны на 12 страницах.

ВЫВОДЫ.

1 Установлено влияние сортовых особенностей подсолнечника на урожайность, качество масла, выход и физико-химические показатели пектина. Показано, что оптимальным для получения высоких урожаев семян и пектина высокого качества является гибрид Вейделевский 99. Выявлено влияние десикации посевов подсолнечника на урожайность. На посевах, обработанных препаратом Реглон Супер была получена урожайность семян 2,30 т/га, препаратом Ураган Форте — 2,28 т/га, без обработки 2,22 т/га.

2 Исследован механизм взаимодействия действующих веществ препаратов Реглон Супер и Ураган Форте с молекулами пектина. Показано отсутствие химического взаимодействия исследуемых препаратов с полигалакту-роновой кислотой. Компьютерным моделированием показан, а методом ИК — спектроскопии доказан факт перераспределения воды в пектине по степени связанности в присутствии действующих веществ исследуемых десикантов. Выявлено преимущество препарата Реглон Супер, применение которого позволяет снизить энергозатраты на испарение на 8%.

3 Установлено, что проведение десикации на посевах позволяет остановить развитие болезней и снизить потери урожая. Показано, что при проведении десикации препаратом Реглон Супер распространение болезней составило 39,6%, Ураган Форте 40,2%, без обработки 64,9%. Развитие корзиночных форм гнилей составило 9,2%, 8,8%, 15,1% соответственно. Предуборочная десикация дает возможность локализовать очаги поражения, что способствует увеличению выхода пектина с 7,4% на необработанных посевах до 8,5−8,7% на посевах, прошедших десикацию. Проведена почвенно-токсикологическая оценка десикантов Ураган Форте и Реглон Супер и негативного влияния их на микробное число почвы при применении в производственных дозах не выявлено.

4 Проведена сравнительная оценка состава пектинов, полученных из различных источников сырья, в том числе нетрадиционных (сахарное сорго, стебли и метелки амаранта). Установлено, что выделенный из корзинок подсолнечника пектин по основным показателям ближе к цитрусовому и превосходит пектины из нетрадиционных источников. Выявлено, что из корзинок подсолнечника можно получить пектин с выходом до 7,9% с полиуронидной составляющей до 79,9% и комплексообразующей способностью до л.

286мгРЬ /г пектина.

5 Исследован процесс гидролиза — экстрагирования пектина из корзинок подсолнечника при различных рН гидролизующего агента. Выявлено, что для получения экстракта пектина оптимальным и экологически обоснованным является использование 0,4% раствора соляной кислоты. Проведена оценка эколого-экономического эффекта от снижения содержания кислоты в экстракте в процессе экстрагирования пектина. Установлено, что предотвращенный экологический ущерб водным ресурсам Воронежской области для завода по производству пектина мощностью 20 т в год составит 9665 руб., общий эколого-экономический эффект — 247 100 руб. При разработке ферментативной схемы гидролиза выявлено, что данная схема является экологически менее опасной, чем кислотный гидролиз, но выход пектина при этом значительно снижается.

6 Исследовано влияние рН нейтрализации экстракта на производительность ультрафильтрационных мембран. Выявлено его оптимальное значение, равное 3,1. Установлено, что максимальная проницаемость мембран достигается в изотермических условиях при температуре процесса 52 °C. Разработана схема очистки подсолнечного пектина трилоном Б от кальция и зольных элементов и показано, что необходимым и достаточным для получения качественного продукта с зольностью менее 3,5% является добавление 1,17 г трилона Б на 1 г пектина в первый цикл диафильтрации при шести ступенях диафильтрации.

7 Установлена высокая поглотительная способность ряда активированных углей по отношению к красящим веществам, содержащимся в соке растений, которые определяют окраску готового пектина. Выявлено, что перспективными для очистки являются марки порошковидных углей отечественного производства ОУ — Б, и импортных СЮ 1230 и ОСЬ 420. При этом необходимым и достаточным для достижения 96%-ной степени осветления является соотношение объемов сорбент: раствор 2:100.

8 При использовании подсолнечного пектина в качестве детоксици-рующей добавки в рецептуре хлеба установлено, что оптимальная доза пектина (0,5% к массе муки) повышает объемный выход хлеба на 6,1% и улучшает качество готовой продукции. Разработана рецептура хлеба из пшеничной муки с добавкой подсолнечного пектина и получен сертификат соответствия.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

1 Возделывать гибрид Вейделевский 99 для получения высоких урожаев семян и пектина из корзинок.

2 Для снижения развития болезней и повышения выхода пектина применять для десикации подсолнечника препарат Реглон Супер.

3 При выделении пектина из корзинок подсолнечника применять раствор соляной кислоты концентрацией 0,4%.

4 Использовать подсолнечный пектин с высокой комплексообразую-щей способностью как детоксицирующую добавку при выпечке хлеба в количестве 0,5% к массе муки.