Совершенствование технологии кристаллического сахара повышенной чистоты, сохраняемости и функциональности
На правах рукописи
ЭРГАШЕВА Евгения Николаевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
САХАРА ПОВЫШЕННОЙ ЧИСТОТЫ, СОХРАНЯЕМОСТИ
И ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ
Специальность 05.18.05 – Технология сахара и сахаристых продуктов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств»
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор
Сапронова Людмила Алексеевна
Официальные оппоненты - доктор технических наук
Лукин Николай Дмитриевич
кандидат технических наук, доцент
Мойсеяк Марина Борисовна
Ведущая организация - ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свёклы и сахара им. А.Л. Мазлумова РАСХН»
Защита состоится 18 декабря 2008 г. в 10-00 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.01 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств», 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д.11, ауд. 53ВК.
Автореферат размещен на сайте www.mgupp.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств».
Автореферат разослан « » ноября 2008 г.
Ученый секретарь
Совета Д 212.148.01
кандидат технических наук, профессор М.С. Жигалов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В последнее время особое значение приобретает производство пищевых продуктов высокого качества, обладающих профилактическими свойствами, так как от этого в значительной степени зависит здоровье людей. Сахар является не только продуктом питания высокой пищевой и энергетической ценности, но и сырьем для многих отраслей. На современном этапе развития пищевой промышленности акцент делается на совершенствовании контроля качества и безопасности продуктов питания. Улучшение физико-химических и микробиологических показателей сахара, обогащение биологически активным компонентом повышает его качество, функциональность и способность к хранению; дает возможность использовать в производстве продуктов детского питания и профилактического назначения, в биофармацевтической промышленности.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилось проведение комплексных исследований для изучения возможности получения сахара, обогащенного пектином; безопасного способа повышения физико-химической, микробиологической чистоты и сохраняемости кристаллического сахара.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
- исследовать качество сахара-песка, вырабатываемого отечественными заводам;
- изучить качественный и количественный состав микроорганизмов сахара;
- предложить безопасный способ и обосновать технологию повышения чистоты и безопасности сахара-песка;
- изучить возможность и разработать технологию равномерного нанесения различных видов пектина на поверхность кристаллов сахара для получения продукта, обладающего функциональными свойствами;
- исследовать гигроскопичность различных видов сахара и нового продукта - сахара, обогащенного пектином.
Научная новизна работы. На основе комплексных физико-химических и микробиологических исследований сахара-песка разработана технология повышения качества и стерильности сахара, состоящая в обработке кристаллов спиртсодержащим раствором при центрифугировании утфеля. Применение технологии дает возможность сократить возвраты сахара в производство, повысить качество сахара до стандартных значений, а высокая микробиологическая чистота позволяет использовать его для производства продуктов детского питания и в биофармацевтической промышленности.
Установлена возможность равномерного нанесения пектина на кристаллы сахара. Изучены способы растворения и виды пектина для обогащения сахара. Предложена технология получения нового функционального продукта повседневного спроса - сахара, обогащенного пектином. Определены качественные характеристики и экономическая эффективность производства пектинового сахара.
Изучено влияние условий хранения различных видов сахара на гигроскопичность, в том числе сахара, обработанного спиртсодержащим раствором, и сахара, обогащенного пектином. Построены и статистически обработаны полиномиальные зависимости адсорбции и десорбции влаги. Определена активность сорбированной влаги и проведена аппроксимация ЯМР спектров сахарозы по программе LINESIM.
Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований предложена и научно обоснована технология повышения качества сахара путем промывания кристаллов спиртсодержащим раствором, позволяющая довести показатели сахара-песка до показателей сахара-рафинада, а некондиционного сахара - до значений стандартного сахара. Технология позволяет сделать сахар практически стерильным, содержание микроорганизмов в котором незначительно. Спирт с поверхности кристаллов легко испаряется на воздухе, поэтому отпадает необходимость конвективной сушки сахара. При данном способе возвраты сахара в производство с оттеками сокращаются, и сахар дополнительно выводится в виде товарного продукта. Отработанный спиртсодержащий раствор, с невысоким содержанием сахара, может быть реализован на других предприятиях. Рассчитана экономическая эффективность внедрения данного способа в производство.
Впервые получен сахар, обогащенный пектином в количестве, позволяющем использовать его в качестве функционального продукта. В зависимости от концентрации и степени этерификации пектина продукт проявляет желирующие, комплексообразующие, радиопротекторные свойства, и может быть рекомендован для детского, функционального, лечебно-профилактического питания. Разработана технология получения пектинового сахара и определена экономическая эффективность.
Изучены гигроскопические свойства обычного сахара разной чистоты, цветности, размера гранул, а также желирующего сахара; сахара, обработанного спиртом; сахара, обогащенного пектином. Определено, что сахар-песок может храниться, не адсорбируя влагу, при относительной влажности воздуха не выше 75 %. Окрашенные сахара требуют более жестких условий хранения по сравнению с сахаром-песком. С увеличением размера кристаллов гигроскопичность снижается, но при определенном размере крупнокристаллический сахар начинает проявлять повышенную адсорбционную активность. Пектин в сахаре повышает гигроскопичность, но в присутствии пектина часть влаги переходит в связанное состояние и повышает его способность к хранению.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались в МГУПП на ежегодных научно-практических конференциях «Сахар. Повышение эффективности и работы свеклосахарного комплекса», в 2004 – 2008 гг., на межотраслевых конференциях: «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров», «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журнале «Сахар», рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, обзор литературы по теме диссертации (гл. 1), методы исследования, применявшиеся в работе (гл. 2), результаты научных исследований (гл. 3, 4, 5), расчеты экономической эффективности (гл. 6), выводы и рекомендации промышленности, список литературы. Работа изложена на 145 страницах, содержит 23 рисунка и 36 таблиц. Список литературы включает 150 источника российских и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ диссертационной РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, решаемые для достижения научных и практических результатов, сформулирована научная новизна и отражена практическая значимость работы.
В первой главе проведен аналитический обзор отечественных и зарубежных литературных источников, обобщены научные данные, посвященные качеству сахара-песка, исследован ассортимент сахаров, в том очищенных или обогащенных различными компонентами, способы нанесения добавок на сахар-песок, получение сахаров функционального назначения.
Рассмотрены вопросы свойств пектиновых соединений, роль пектиновых веществ в лечебно-профилактическом питании. Проанализированы данные по микробиологической чистоте сахара-песка, приведен количественный и качественный состав микроорганизмов в сахаре-песке, регламентированный в стандартах разных стран. Изучены антисептики, применяемые в сахарной промышленности. Обобщены научные данные по проблемам сохраняемости и гигроскопичности сахара-песка.
В результате анализа данных, имеющихся в научно-технической литературе, определены цель и задачи исследования, предусматривающие повышение физико-химической и микробиологической чистоты сахара-песка, его способности к хранению и обогащения сахара функциональными компонентами.
Во второй главе описаны методы исследования органолептических, физико-химических и микробиологических показателей сахара-песка, применявшиеся в диссертации.
В третьей главе изложены данные по определению органолептических и физико-химических показателей сахара-песка, выработанного, в соответствии с маркировкой, по ГОСТ 21-94 «Сахар-песок. Технические условия».
Результаты органолептической оценки показали, что по запаху и вкусу стандарту соответствуют 8 образцов, по сыпучести 9, и по цвету 5.
Для оценки органолептических свойств была разработана 5-ти балловая шкала оценки качества сахара-песка (табл. 1). При разработке шкалы были использованы требования ГОСТ 21, результаты сенсорного анализа и экспертной оценки большого количества образцов сахара-песка. Для каждого показателя предложены коэффициенты весомости. Исходя из количества баллов и с учетом коэффициентов весомости, получена общая оценка органолептических показателей. Из 10 проанализированных образцов сахара-песка 1 имел отличное качество, 7 – хорошее и 2 – среднее.
При определении физико-химических показателей сахара-песка отклонения от стандартных значений были по цветности, содержанию сахарозы и кристаллов размером менее 0,2 мм. Результаты анализа образцов сахара-песка показаны в табл. 2.
Таблица 2 - Соответствие (+) и несоответствие (-) показателей сахара-песка требованиям ГОСТ 21
| Показатель | Образцы сахара-песка | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| Физико-химические показатели | ||||||||||
| Массовая доля влаги | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Массовая доля сахарозы | + | – | + | – | + | + | – | + | + | + |
| Цветность | – | – | – | – | + | – | – | – | + | + |
| Показатели рассева | ||||||||||
| Гранулометрический состав | + | + | + | + | + | + | – | + | + | + |
| Органолептические показатели | ||||||||||
| Вкус и запах | + | + | + | + | + | – | + | – | + | + |
| Сыпучесть | + | – | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Цвет | – | – | – | + | + | – | + | – | + | + |
| Чистота раствора | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
Таким образом, по исследованным показателям (табл. 2) только 2 образца сахара-песка полностью соответствовали требованиям стандарта. Наиболее часто встречающимся отклонением было повышенное значение цветности сахара.
Таблица 1 – Балловая шкала для отображения органолептических свойств сахара-песка
| Оцен- ка, балл | Запах и вкус | Сыпучесть | Цвет | Чистота раствора | Общая оценка качества | Средняя оценка по единичным показателям, не ниже |
| 5 | Сладкий, без посторонних привкуса и запаха | Сыпучий, без наличия комков | Белый с блеском | Раствор прозрачный, без осадка и примесей; без опалесценции | Отличное | 5,0 |
| 4 | Сладкий, без посторонних привкуса и запаха | Сыпучий, допускается наличие разваливающихся при легком нажатии комков | Белый | Раствор прозрачный, без осадка и примесей; слабо опалесцирующий | Хорошее | 4,0 |
| 3 | Сладкий, с еле уловимым карамельным привкусом и запахом | Сыпучий, с наличием разваливающихся при легком нажатии комков | Белый с желтоватым оттенком | Раствор без осадка, опалесцирующий | Среднее | 3,0 |
| 2 | Сладкий, с карамельным привкусом и запахом | Комковатый, с наличием большого количества разваливающихся при легком нажатии комков | Белый с желтоватым оттенком | Раствор без осадка, опалесцирующий | Плохое (приемлемое) | 2,0 |
| 1 | Сладкий, с карамельным и посторонним привкусом и запахом | Комковатый, с наличием комков, не неразваливающихся при легком нажатии | Светло-желтый | Раствор мутный, с нерастворимым осадком и примесями; опалесцирующий | Очень плохое (неприемлемое) | 1,0 |
Для улучшения качества и возможности повышения показателей нестандартного сахара-песка до стандартных значений применяли промывание кристаллов сахара концентрированным раствором этилового спирта, учитывая, что сахароза растворима в воде и не растворима в этиловом спирте. Кристаллы сахара-песка повышенной цветности промывали этиловым спиртом, разбавленным водой до концентрации 85-86 % об. Такая концентрация водно-спиртовой смеси дает лучший эффект очистки сахара по сравнению с неразбавленным спиртом. Положительный результат снижения цветности сахара обусловлен тем, что в сиропной пленке на поверхности кристаллов сосредоточено до 90 % несахаров, в том числе красящих веществ. После высушивания сахара в заводских условиях пленка прочно связана с кристаллом, и для ее растворения и удаления необходимо присутствие в спирте некоторого количества воды.
Из 10, исследованных ранее образцов сахара-песка, 4 образца в течение 5 мин перемешивали с неразбавленным (96 % об.) и разбавленным (85 % об.) раствором этилового спирта. Промытые, таким образом, кристаллы сахара отделяли фильтрованием, сушили на воздухе до постоянной массы и определяли содержание сахарозы и цветность (табл. 3), а также массовую долю влаги. Контролем служил необработанный сахар-песок. Влажность образцов сахара, обработанных спиртом и высушенных на воздухе, имела нормативное значение, то есть не превышала 0,14 %.
Таблица 3 – Влияние обработки водно-спиртовой смесью на качество сахара-песка
| № об- разца | Массовая доля сахарозы, % | Цветность, ед. ICUMSA | ||||
| контроль | после промывания в спирте концентрацией, % об. | контроль | после промывания в спирте концентрацией, % об. | |||
| 96 | 85 | 96 % | 85 % | |||
| 1 | 99,75 | 99,75 | 99,85 | 109,4 | 108,2 | 74,8 |
| 6 | 99,75 | 99,75 | 99,85 | 104,9 | 103,7 | 71,5 |
| 7 | 99,72 | 99,72 | 99,81 | 111,7 | 110,3 | 73,6 |
| 8 | 99,80 | 99,80 | 99,85 | 113,1 | 111,0 | 80,1 |
Полученные данные показали, что обработка этиловым спиртом без его разбавления практически не повлияла на показатели качества. При промывании кристаллов сахара разбавленным 85 %-ным спиртом содержание сахарозы в сухих веществах, повысилось незначительно. Цветности при этом снизилась на 30-34 %, и во всех опытах соответствовало требованиям ГОСТ 21.
Обработка сахара-песка разбавленным этиловым спиртом возможна в промышленных условиях на стадии центрифугирования утфеля I кристаллизации после отделения первого оттека. Для промывания кристаллов предложено использовать вместо горячей воды 85 – 86 %-ный раствор этилового спирта в количестве 10-12 дм3 на одну загрузку центрифуги (600 кг утфеля, содержащего около 300 кг кристаллов сахара).
Таким образом, из цикла центрифугирования исключается расход 3 % воды к массе утфеля, или 600*3/100=18 дм3. В этих 18 дм3 промывной воды (70 С) при растворимости сахара 3,25 кг на 1 кг воды на одну загрузку центрифуги растворится 3,25*18=58,5 кг сахара. В водно-спиртовом растворе (вместо горячей воды), при промывании кристаллов растворится всего лишь 3,5 кг сахара. Таким образом, снижение возврата сахара в производство и вывод его в качестве товарного сахара составит на загрузку центрифуги 58,5–3,5=55 кг, или 15-20 % от массы кристаллов в одной загрузке утфеля. Водно-спиртовая смесь, полученная после промывания кристаллов, с 20-25 % сахара, растворенного в ней, может быть использована на других предприятиях или на сахарном заводе повторно, после простейшей перегонки в брагоперегонной колонне.
Кроме снижения цветности и уменьшения возвратов растворяемого сахара-песка в производство, обработка спиртсодержащим раствором стерилизует сахар-песок (табл. 4).
В исходных образцах сахара дрожжей, термоустойчивых кислотообразующих и слизеобразующих бактерий не обнаружено. Воздействие этилового спирта снизило общее количество микроорганизмов в сахаре-песке. После обработки 96 %-ным спиртом в опытном образце сахара № 1 остались бактерии рода Pediococcus и мицелиальные грибы рода Rhizopus, в образце № 2 - бактерии рода Streptococcus.
Таблица 4 – Микробиологические показатели сахара до и после обработки этиловым спиртом
| Образец сахара | Количество микроорганизмов, КОЕ/г | ||||
| МАФАнМ | мицелиальные грибы | ||||
| всего | кислото- и слизеобразующие бактерии | ||||
| контроль | опыт | контроль | контроль | опыт | |
| 96 %-ный спирт | |||||
| № 1 | 5·10 | 3·10 | Нет | 3·10 | 1·10 |
| № 2 | 2·10 | 1·10 | Нет | 1·10 | Нет |
| 85 %-ный спирт | |||||
| № 1 | 5·10 | 1·10 | Нет | 3·10 | нет |
| № 2 | 2·10 | нет | Нет | 1·10 | Нет |
При обработке 85 %-ным раствором спирта в образце сахара № 1 сохранились бактерии рода Pediococcus, в образце № 2 микроорганизмов не обнаружено. Таким образом, лучшие результаты получены по удалению спиртом мицелиальных грибов, а обработка 85 %-ным раствором этилового спирта значительно снижала или полностью уничтожала микроорганизмы сахара.
При микробиологическом анализе сахара-сырца и сахара-песка с показателями качества ниже стандартных значений были найдены термоустойчивые кислотообразующие и слизеобразующие бактерии, наносящие значительный вред производству. Наиболее эффективно спирт воздействовал не только на мицелиальные грибы, но и на слизеобразующие и кислотообразующие бактерии.
Сахар-песок, промытый разбавленным спиртом, легко высушивается на воздухе до стандартной влажности. Следовательно, появляется возможность исключить из технологической схемы конвективную сушку сахара и потери сахара при высушивании (в виде сахарной пыли).
Таким образом, обработка кристаллического сахара при центрифугировании разбавленным 85-86 % этиловым спиртом вместо горячей воды дает возможность повысить качество некондиционного сахара-песка до показателей, соответствующих ГОСТ 21; снизить возврат сахара с оттеком на 15–20 %, а выводить его в виде товарного и повысить микробиологическую чистоту сахара до требований ГОСТ 21 к сахару-песку, предназначенному для производства молочных консервов, продуктов детского питания и биофармацевтической промышленности.
В четвертой главе приведены результаты исследований и выбора способа получения раствора пектина; изучения возможности равномерного нанесения пектина на поверхность кристаллов сахара-песка для получения продукта с высокими качественными свойствами, обогащенного различными видами пектина разной степени этерификации.
Для этого использовали сахар-песок, соответствующий ГОСТ 21 по влажности и содержанию сахарозы, и три образца пектина различной природы и степени этерификации: низкоэтерифицированный частично амидированный яблочный пектин марки Unipectine ОВ 763; низкоэтерифицированный частично амидированный цитрусовый пектин марки GENU pectin LM-102AS и высокоэтерифицированный цитрусовый пектин марки Unipectine PG DS.
Пектин наносили на кристаллы сахара в виде водного раствора концентрацией 0,5; 1; 1,5 и 2 %. Вязкость растворов пектина концентрацией более 2 % была столь высокой, что отделение избытка его от кристаллов при центрифугировании было затруднено.
Пектин плохо растворяется в воде, поэтому для повышения растворимости применяли два способа: растворения пектина в воде с использованием высокоскоростной мешалки и растворение смеси пектина с пятикратным количеством сахара при перемешивании. Таким образом, получилось 24 образца растворов пектина, в которых были представлены три вида пектина четырех концентраций, с добавлением и без добавления сахара.
Сахар-песок быстро, чтобы избежать растворения, смешивали при комнатной температуре с раствором пектина и смесь центрифугировали при частоте 1000 мин-1 для отделения оттека. Влажные кристаллы сахара с нанесенной пленкой пектина вначале во избежание слипания кристаллов подсушивали струей горячего воздуха и досушивали при 105 С до постоянной массы.
Полученные образцы сахара, обогащенного пектином, по органолептическим показателям соответствовали требованиям ГОСТ 21. Отличительная особенность сахара при высокой концентрации пектина – присутствие легкого фруктового аромата. Массовая доля влаги всех образцов сахара не превышала 0,14. Цветность сахара, обогащенного высокоэтерифицированным (ВЭ) и низкоэтерифицированным (НЭ) пектином разной концентрации, растворенным без сахара (б/с) или в присутствии пятикратного количества сахара (с/с), приведена в табл. 5.
Таблица 5 – Цветность сахара, обогащенного пектином
| Сахар с пектином | Цветность (ед. ICUMSA) сахара, обогащенного раствором пектина концентрацией, % | |||||||
| 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | |||||
| с/с | б/с | с/с | б/с | с/с | б/с | с/с | б/с | |
| НЭ яблочным | 110,96 | 99,65 | 114,13 | 94,30 | 91,04 | 85,18 | 89,87 | 78,81 |
| НЭ цитрусовым | 83,20 | 90,79 | 77,22 | 87,58 | 72,08 | 81,76 | 75,52 | 72,87 |
| ВЭ цитрусовым | 44,10 | 48,31 | 43,33 | 52,94 | 40,18 | 52,87 | 31,36 | 36,07 |
Из данных табл. 5 видно, что цветность сахара с яблочным пектином была выше, чем с цитрусовым, причем самым светлым оказался сахар с высокоэтерифицированным цитрусовым пектином. Цветность сахара с обоими видами цитрусовых пектинов оказалась ниже цветности исходного сахара, что объясняется аффинацией кристаллов сахара-песка, то есть заменой сиропной пленки на кристаллах сахара-песка более светлым раствором пектина или пектина с сахаром.
Результаты поляриметрического анализа показали, что сахар-песок, обогащенный пектином, значительно меньше содержит сахарозы по сравнению с исходным образцом (табл. 6).
Таблица 6 – Чистота сахара, обогащенного пектином
| Сахар с пектином | Массовая доля сахарозы (%, к массе СВ) в сахаре, обогащенном раствором пектина концентрацией, % | |||||||
| 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | |||||
| с/с | б/с | с/с | б/с | с/с | б/с | с/с | б/с | |
| НЭ яблочным | 92,67 | 93,84 | 90,56 | 92,10 | 90,02 | 92,90 | 89,16 | 88,93 |
| НЭ цитрусовым | 93,59 | 94,97 | 94,48 | 94,78 | 91,74 | 92,94 | 89,98 | 91,56 |
| ВЭ цитрусовым | 93,22 | 94,18 | 89,92 | 93,60 | 91,02 | 92,18 | 89,24 | 91,34 |
Максимальное количество пектина было в сахаре с низкоэтерифицированным яблочным пектином Unipectinе ОВ 763, а минимальное – в сахаре с низкоэтерифицированным цитрусовым пектином GENU pectin LM-102AS. Средние позиции занимал сахар с высокоэтерифицированным пектином Unipectinе PG DS (табл. 7).
Таблица 7 – Содержание пектина в обогащенном сахаре
| Сахар с пектином | Массовая доля пектина (%) в сахаре, обогащенном раствором пектина концентрацией, % | |||||
| 0,5 | 1,5 | 2 | ||||
| с/с | б/с | с/с | б/с | с/с | б/с | |
| НЭ яблочным | 8,3 | 6,5 | 10,8 | 8,1 | 11,5 | 11,2 |
| НЭ цитрусовым | 7,5 | 5,6 | 8,9 | 7,1 | 10,8 | 8,7 |
| ВЭ цитрусовым | 7,9 | 5,9 | 9,7 | 8,5 | 11,2 | 9,6 |
Данные в табл. 7 показывают, что содержание пектина в сахаре выше при использовании обогащающего раствора, содержащего сахар.
Далее определяли вязкость пектиновых растворов (табл. 8) и изучили, влияет ли вязкость на количество осажденного на кристаллах сахара пектина.
Таблица 8 – Вязкость растворов пектина
| Раствор пектина | Вязкость (мПа·с) растворов пектина концентрацией, % | |||||||
| 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | |||||
| с/с | б/с | с/с | б/с | с/с | б/с | с/с | б/с | |
| НЭ яблочный | 0,31 | 0,30 | 0,61 | 0,59 | 4,88 | 4,76 | 10,01 | 6,73 |
| НЭ цитрусовый | 0,23 | 0,22 | 0,54 | 0,44 | 3,48 | 2,45 | 6,64 | 4,27 |
| ВЭ цитрусовый | 0,26 | 0,25 | 0,57 | 0,47 | 3,74 | 2,88 | 7,83 | 4,92 |
По полученным данным (табл. 8) видно, что зависимость вязкости от вида и концентрации пектина в растворе коррелирует с массовой долей пектина в сахаре при тех же показателях.
Таким образом, доказана возможность равномерного нанесения пектина на сахар. С повышением вязкости раствора пектина увеличивается и количество пектина в сахаре. Максимальной в обогащающем растворе является концентрация пектина 2 %. Присутствие сахара в обогащающем растворе приводит к увеличению содержания пектина на кристаллах сахара. В наших исследованиях вязкость растворов пектина и соответствующие им массовые доли его в сахаре располагаются в ряд: НЭ яблочный > ВЭ цитрусовый > НЭ цитрусовый.
Предпочтительным является способ растворения пектина с пятикратным количеством сахара, так как не требуется установки высокоскоростной мешалки. Органолептические показатели и влажность сахара, обогащенного пектином, не превышают действующих стандартных требований к сахару-песку. Отличительная особенность продукта – присутствие легкого фруктового аромата. При нанесении пектина на сахар цветность может оставаться прежней (яблочный пектин) или значительно снижается (цитрусовый пектин). Сахар с высокоэтерифицированным цитрусовым пектином является наиболее сладким и светлым, а его раствор – прозрачным.
Сахар, обогащенный низкоэтерифицированным яблочным пектином, оказался наименее сладким, а цвет - более темным, но не выше цветности исходного сахара-песка. Низкоэтерифицированный пектин, содержащийся в сахаре, обладает комплексообразующими свойствами по отношению к солям тяжелых металлов и радионуклидам. По совокупности свойств сахар с этим пектином обладает бльшими функциональными и профилактическими свойствами. Содержание пектина в сахаре позволяет отнести пектиновый сахар к продуктам функционального назначения.
В пятой главе исследованы гигроскопические свойства кристаллического сахара в зависимости от относительной влажности среды, в которой хранился сахар, от размера кристаллов сахара и от его чистоты. В эксперименте использовался тензиметрический метод анализа, основанный на помещении проб сахаров в воздушную среду с постоянным значением относительной влажности () и гравиметрическим определением количества поглощенной с течением времени влаги.
Исследовали сахар-песок стандартного и нестандартного качества, сахар-рафинад, сахар-сырец и их фракции. Результаты показали, что при =75 % масса сахара-песка, сахара-рафинада и сахара-сырца с высокой чистотой оставалась неизменной, увлажнялся только сахар-сырец и сахар-песок низкого качества. При =86 % увлажнение сахара-рафинада не произошло, остальные образцы изменяли свою влажность. В процессе адсорбции влаги значение влажности достигало значения, соответствующего значению равновесной влажности. Скорость адсорбции влаги на сахаре-сырце низкого качества была примерно в 1,5 раза выше по сравнению с чистыми сахарами.
По результатам исследований установлено, что стандартный сахар-песок и сахар-сырец повышенного качества можно без изменений хранить при =75 %, а сахар-рафинад – при =86 %, вместо рекомендуемых в нормативной документации значений 70 и 75 % соответственно. Снижение чистоты сахара увеличивает его гигроскопичность.
В связи с тем, что в последнее время расширен ассортимент сахарной продукции, представляло интерес исследовать ее гигроскопичность. Были выбраны 3 разновидности сахара-песка: коричневый крупнокристаллический (Sugar Crystals, производство Великобритания), золотистый (Golden Granulated sugar, производство Великобритания) и желирующий сахар (Usporny-Zelirovace cukr, производство Чехия), а также их фракции. Для коричневого крупнокристаллического сахара выделялись еще две более крупные фракции: 1,5-2,5 мм и более 2,5 мм.
Полученные данные показывают, что при относительной влажности воздуха, равной 75 %, которая является допустимой для хранения стандартного сахара, проявили гигроскопичность все образцы. Мелкие кристаллы поглощают больше влаги, чем средние и крупные. Наибольший прирост влаги наблюдали в коричневом сахаре, но с увеличением размера кристаллов их гигроскопичность сначала снижалась, а на двух самых крупных фракциях увеличивалась.
Изучение поведения сахара в средах с высокой влажностью (90 и 99 %) показало, что повышенная влажность приводит к растворению поверхностной пленки кристаллов. Кристаллы визуально становятся более светлыми. Появление в пробе сиропа значительно повышает скорость адсорбции влаги. Этим можно объяснить аномалию гигроскопичности фракций коричневого сахара. Между крупными кристаллами увеличивается площадь соприкосновения, и накопление в этих местах влаги интенсифицирует адсорбцию.
Желирующий сахар представляет собой смесь чистого сахара-песка с кусочками яблочного пектина и частицами лимонной кислоты. Характер адсорбции влаги отличен от других сахаров, так как в сахаре пектин в данном случае ведет себя как капиллярно-пористое тело. При 75% влажности желирующий сахар проявляют некоторую гигроскопичность. По сравнению с другими сахарами он сначала набирает влагу интенсивнее, но с течением времени скорость адсорбции снижается.
По результатам изучения гигроскопичности различных видов сахаров были построены средствами Excel и статистически обработаны кривые адсорбции, представляющие собой полиномиальные зависимости второй степени, описывающие изучаемые процессы с достаточной точностью, о чем говорит величина аппроксимации не ниже 0,98 для всех образцов. В качестве примера на рис. 1 представлены расчетные кривые для различных фракций коричневого крупнокристаллического сахара и их уравнения при =90 %.
Рис. 1. Кривая адсорбции фракций коричневого сахара
Для изучения десорбции образцы сахара кратковременно помещали в среду с =99 % и затем переносились в среды с низкой влажностью. Оказалось, что десорбция не возвращает исходную влажность, и часть сорбированной влаги остается на кристаллах.
В ходе эксперимента была проведена сравнительная характеристика гигроскопичности сахара-песка и сахара-песка, омытого спиртом. Оказалось, что обработка спиртом снижает влажность сахара. Скорость адсорбции влаги сахара, обработанного спиртом, была значительно меньше по сравнению с необработанным сахаром. Для сорбции образцы помешали в среду с =86 %, а для десорбции – в среду с =63 %. Часть сорбированной влаги на обычном сахаре-песке осталась на сахаре после десорбции (рис. 2, 3), а влажность сахара, обработанного 85 %-ным спиртом, снизилась до нормативных значений (рис. 4, 5).
С помощью метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) была определена массовая доля и степень связанности влаги образцов сахара. Запись спектров Н-1 образцов сахара проводилась на спектрометре ЯМР Bruker AC-200 по обычной одноимпульсной программе. В процентах указана интегральная интенсивность подвижных протонов при суммарной интегральной интенсивности, равной 100%.
Рис. 2. Обзорный спектр ЯМР 1Н сахара-песка
Рис. 3. Обзорный спектр ЯМР 1Н сахара-песка после адсорбции и
последующей десорбции влаги
Рис. 4. Обзорный спектр ЯМР 1Н сахара-песка, обработанного 85 %-ным спиртом
Рис. 5. Обзорный спектр ЯМР 1Н сахара-песка, обработанного 85 %-ным
спиртом, после адсорбции и последующей десорбции
Положительный эффект обработки спиртом объясняется тем, что спирт смывает пленку, которая придает основные гигроскопические свойства кристаллам сахара-песка. Влага в образцах сахара находится только в свободном состоянии, о чем свидетельствует наличие одного пика на спектрах ЯМР.
На рис. 6 представлен растянутая центральная часть спектра ЯМР для желирующего сахара, который имеет отличный характер зависимости от рассмотренных ранее сахаров. Адсорбция влаги происходит на кристаллах сахара и на кусочках пектина.
На растянутом спектре ЯМР желирующего сахара показаны два пика, характеризующие две формы связанности влаги: свободную и связанную.
Затем была изучена гигроскопичность полученного нами сахара-песка, обогащенного пектином. При =63 % и =75 %, когда влажность стандартного сахара-песка оставалась неизменной, образцы пектинового сахара адсорбировали влагу до значения равновесной влажности.
Рис. 6. Спектр ЯМР 1Н желирующего сахара: пик 1 (свободная вода) - относительная интегральная интенсивность 50 %, химический сдвиг =7,1 м.д.; пик 2 (связанная вода) - относительная интегральная интенсивность 50 %, химический сдвиг =3,5 м.д.
Характер поведения пектиновых сахаров в более влажных средах представлен на рис. 7. Расположение кривых показывает, что гигроскопичность тем выше, чем выше содержание пектина в пектиновом сахаре. Гигроскопичность сахаров с низкоэтерифицированным яблочным пектином максимальна, минимальна – в сахаре с низкоэтерифицированным цитрусовым пектином. Добавление сахара при растворении пектина приводит к повышению концентрации пектина в готовом продукте и снижению его гигроскопичности. Кривая адсорбции стандартного сахара-песка без добавок расположилась ниже всех зависимостей, что говорит о том, что нанесение пектина на кристаллы приводит к повышению их гигроскопичности.
Рис. 7. Кривые адсорбции пектиновых сахаров при =90 %
При изучении спектров ЯМР образцов пектинового сахара выявила 2 степени связанности воды, которым соответствуют 2 пика, и по известным относительным интегральным интенсивностям и химическим сдвигам рассчитано количество свободной и связанной влаги во всех образцах сахаров.
На рис. 8 и 9 приведена растянутая центральная часть спектров ЯМР для низкоэтерифицированного яблочного пектина и высокоэтерифицированного цитрусового пектина с концентрацией пектина в обогащающем растворе 2 %.
Рис. 8. Спектр ЯМР 1Н сахара, обогащенного низкоэтерифицированным яблочным пектином: пик 1 (свободная вода) - относительная интегральная интенсивность 55 %, химический сдвиг =6,8 м.д.; пик 2 (связанная вода) - относительная интегральная интенсивность 45 %, химический сдвиг =1,5 м.д.
Рис. 9. Спектр ЯМР 1Н сахара, обогащенного высокоэтерифицированным цитрусовым пектином: пик 1 (свободная вода) - относительная интегральная интенсивность 57 %, химический сдвиг =6,2 м.д.; пик 2 (связанная вода) - относительная интегральная интенсивность 43 %, химический сдвиг =2,5 м.д.
Таким образом, влажность сахара, обогащенного пектином, не превышает стандартных значений. Благодаря присутствию пектина сахар более гигроскопичен по сравнению с чистым сахаром-песком, однако влага находится не только в свободном, но и в связанном состоянии, что благоприятно влияет на сохраняемость пектинового сахара.
В шестой главе приведены расчеты экономической эффективности способов получения сахара, обработанного водно-спиртовой смесью, и сахара, обогащенного пектином.
общие выводы и рекомендации промышленности
1. Исследованы показатели образцов сахара-песка и предложена технология повышения качества и микробиологической безопасности сахара путем обработки спиртсодержащим раствором. Такая обработка кристаллического сахара при центрифугировании 85-86 % раствором этилового спирта дает возможность повысить качество сахара-песка до показателей, соответствующих ГОСТ 21; снизить возврат сахара с оттеком на 15–20 %. Определена возможность использования очищенного таким образом сахара для производства продуктов детского питания и в биофармацевтической промышленности. Рассчитана экономическая эффективность производства сахара повышенного качества.
2. Разработана технология нового продукта функционального назначения - сахара, обогащенного пектином. Исследованы способы равномерного нанесения пектина на кристаллы сахара, влияние их на основные показатели качества обогащенного сахара. Изучена максимальная концентрация пектина в обогащающем растворе. Доказано, что присутствие сахара в обогащающем растворе приводит к увеличению содержания пектина на кристаллах сахара. Определена экономическая эффективность выработки обогащенного сахара.
3. Изучено влияние условий хранения различных видов сахаров, выпускаемых промышленностью, и сахара, обогащенного пектином. Доказана возможность повышения способности сахара к хранению после обработки спиртсодержащим раствором. Методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) исследована активность влаги, содержащейся в сахаре-песке.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Эргашева, Е.Н. Влияние качественных показателей на сохраняемость сахара-песка и обогащенного сахара [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. А. Сапронова // Сборник материалов межрегиональной научно-практической конференции «Товароведение и экспертиза товаров: состояние, проблемы и перспективы развития». – Уфа.- 2006. - С. - 213-216.
2. Эргашева, Е.Н. Обогащение кристаллического сахара [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. А. Сапронова // Сборник докладов IV международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средств для их реализации». Часть III. – М.: МГУПП - 2006. – С. 16-18.
3. Эргашева, Е.Н. Желирующий сахар – обогащающая добавка в питании [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. А. Сапронова // Сборник научных трудов VI ежегодной международной конференции «Сахар – 2006. Повышение эффективности работы сахарной промышленности». – М.: МГУПП.- 2006. – С. 186-189.
4. Эргашева, Е.Н. Некоторые аспекты микробиологической загрязненности сахара-песка [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. Н. Шабурова, Л. А. Сапронова // Сборник научных трудов VII ежегодной международной научно-практической конференции Сахар 2007. «Энерго- и ресурсосберегающие технологии сахарного производства». – М.: МГУПП. - 2007. – С. 174-177.
5. Эргашева, Е. Н. О путях повышения качества сахара [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. А. Сапронова // IV Международная научно-практическая конференция: «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг». – Орел. Орел ГТУ. - 2007. – С. 50 – 53.
6. Эргашева, Е.Н. Повышение пищевой ценности и микробиологической чистоты сахара [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. Н. Шабурова, Л. А. Сапронова // V Юбилейная школа-конференция: «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». – М.: МГУПП. - 2007. - С. 145 – 147.
7. Эргашева, Е. Н. Гигроскопичность различных видов сахара [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. А. Сапронова, Яо Бру Лазар // Сборник научных трудов. «Сахар – 2008. Совершенствование технологии переработки сырья для сахарной промышленности, освоение новых видов оборудования и компьютеризация производства, повышение качества. Часть 2». – М.: МГУПП. - 2008. – С. 46-50.
8. Сапронова, Л. А. Товароведная оценка сахара и изучение возможности его обогащения [Текст] / Л. А. Сапронова, Н. В. Коржова, Л. И. Панькова, Е. Н. Эргашева// Сборник докладов I Межведомственной научно-практической конференции «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров». – М.: МГУПП. - 2008. – С. 259-262.
9. Эргашева, Е. Н. Получение и свойства сахара, обогащенного пектином. [Текст] / Е. Н. Эргашева, Л. А. Сапронова // Сборник докладов VI Международная научно-практическая конференция и выставка. «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты. Часть 1». – М.: МГУПП. - 2008. – С. 68 – 72.
10. Эргашева, Е. Н. Повышение микробиологической чистоты кристаллического сахара [Текст] /Е. Н. Эргашева, Л. Н. Шабурова, Л. А. Сапронова // Сахар. – 2008. - № 8. – С. 61 – 63.
11. Сапронова, Л. А. Сахар, обогащенный пектином [Текст] /Сапронова Л. А., Эргашева Е. Н., Коржова Н. В.// Сахар. – 2008. - № 9. – С. 54 – 56.
12. Сапронова, Л.А. О повышении качества сахара-песка [Текст] /Л. А. Сапронова, Е. Н. Эргашева, Л. И. Панькова // Сахар. – 2008. - № 10. – С. 59 – 61.
