Научно-практические аспекты интенсификации технологических процессов с использованием наноактивированных жидких сред при производстве мясопродуктов

На правах рукописи

Научно-практические аспекты интенсификации технологических процессов с использованием наноактивированных жидких сред при производстве мясопродуктов

Специальности:

05.18.04 – Технология мясных, молочных, рыбных

продуктов и холодильных производств

05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Ставрополь – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» (СевКавГТУ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Борисенко Алексей Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель пищевой

индустрии РФ

Нестеренко Павел Григорьевич

доктор технических наук, профессор

Палагина Ираида Алексеевна

доктор технических наук, профессор

Бабенышев Сергей Петрович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Волгоградский государственный

технический университет» (г. Волгоград)

Защита диссертации состоится 23 декабря 2009 г. В 10 ч. на заседании диссертационного Совета Д 212.245.05 при Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу: г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. К308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СевКавГТУ.

Автореферат разослан «______» _______________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент В.И. Шипулин

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время приоритетные направления развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года связаны с разработкой наукоемких технологий, направленных на изыскание принципиально новых, экологически безопасных и эффективных методов интенсификации технологических процессов, их совершенствование, а также создание системы ресурсосберегающих технологических процессов и машин, стабилизирующих показатели технологической адекватности и безопасности пищевого сырья и готовой продукции. Современные тенденции в науке и технологиях, с позиции общей концепции государственной политики в области здорового питания, а также реализации антикризисных мер в АПК России, должны быть ориентированы на разработку конкурентоспособных пищевых продуктов нового поколения, перспективных в плане импортозамещения и наращивания внутреннего спроса.

В основу создания высокоэффективных процессов производства, с учетом требований современной экологии и реабилитации окружающей среды, должны быть положены безопасные акустические, физико-химические, электрофизические и механические способы обработки сельскохозяйственного сырья, в том числе с использованием нанотехнологий, позволяющие осуществлять безреагентное регулирование его функционально-технологических свойств.

К таким, наиболее перспективным и современным способам интенсификации технологических процессов пищевых производств, относится использование активированных различными способами жидких сред в комплексе с рациональными гидромеханическими воздействиями. В настоящее время активированные жидкие среды с технологически значимыми функциональными свойствами получают как электрохимической обработкой, так и кавитационной дезинтеграцией.

Значительный вклад в решении проблем модификации функциональных свойств сырья животного и растительного происхождения, интенсификации технологических процессов его переработки, в том числе с использованием активированных жидких сред, внесли отечественные и зарубежные ученые: Л.В. Антипова, Э.Э. Афанасов, В.М. Бахир, Т.В. Бархатова, А.С. Большаков, А.А. Борисенко, В.Г. Боресков, Л.А. Борисенко, В.М. Горбатов, И.Ф. Горлов, И.А. Глотова, Л.В. Донченко, И.А. Евдокимов, А.И. Жаринов, Н.К Журавская, Г.И. Касьянов, Ю.И. Ковалев, Ю.В. Космодемьянский, А.А. Кочеткова, Л.С. Кудряшов, Н.Н. Липатов, А.Б. Лисицын, А.И. Мглинец, Л.Ф. Митасева, Ю.Н. Нелепов, И.А. Рогов, Б.А. Рскелдиев, С.А. Рябцева, А.В. Серов, Е.И. Титов, А.Г. Храмцов, С.Д. Шестаков, De Gennaro L., O. W. Fennema, T.A.Gillet, O. D. Macej и другие.

Однако работы в данных областях посвящены частным исследованиям. Принципы использования каждого из способов активации, а также возможности их комплексного применения в технологических процессах производства мясопродуктов нуждаются в теоретическом обосновании, развитии и систематизации.

Сдерживание темпов внедрения и использования акустически и электрохимически активированных (ЭХА) жидких сред в технологии мясопродуктов связано с недостаточными сведениями о механизмах влияния таких сред на формирование требуемых свойств сырья и готовой продукции, а также с недостатком научно-практических разработок в области использования активированных сред для модификации белоксодержащего сырья животного и растительного происхождения, возможности совмещения с другими способами интенсификации технологических процессов.

Расширение знаний и практического опыта по комплексному применению акустических и электрохимических способов активации жидких сред с целью формирования их высоких реакционных свойств, а также физико-химической и биохимической активности, позволит существенно расширить возможности их применения в технологии мясопродуктов, создать экологичные приемы рационального использования вторичного белоксодержащего сырья, разработать новые продукты здорового питания с высокими показателями безопасности, а также оптимизировать условия совместного использования активированных жидких сред и существующих гидромеханических процессов переработки сельскохозяйственного сырья.

Работа выполнялась с 1998 года в рамках приоритетного направления развития науки, технологии и техники РФ «Технологии живых систем», в соответствии с научным направлением СевКавГТУ «Пища», госбюджетными и хоздоговорными научно-исследовательскими работами кафедр машин и аппаратов пищевых производств и технологии мяса и консервирования СевКавГТУ.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научных принципов интенсификации и совершенствования технологических процессов производства мясопродуктов с использованием безопасных кавитационно- и электрохимически-активированных жидких сред, их комплексного воздействия на формирование основных свойств сырья и готовой продукции.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- на основе системного подхода к решению проблем обеспечения безопасности пищевых продуктов разработать концепцию интенсификации и совершенствования технологических процессов активированными кавитационной дезинтеграцией ЭХА-средами, обосновать целесообразность их использования при производстве мясопродуктов;

- провести аналитическую оценку технологически значимых свойств кавитационно- и электрохимически-активированных жидких сред, установить закономерности формирования их физико-химических показателей и оптимизировать режимы их комплексной активации;

- исследовать и научно обосновать основные принципы применения кавитационно- и электрохимически-активированных сред для интенсификации процесса проращивания растительного сырья, используемого при производстве мясопродуктов;

- провести теоретическое и экспериментальное исследование процесса гидролиза коллагеносодержащего сырья в активированных средах, установить механизмы, дать сравнительную и качественную оценку его интенсивности;

- научно и экспериментально обосновать применение активированных сред для приготовления стабильных наноактивированных водо-жировых эмульсий в условиях кавитационной дезинтеграции;

- установить закономерности процессов формирования и стабилизации окраски мясных изделий при использовании кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-сред. На основе нейросетевого моделирования разработать рецептуры цветорегулирующих рассольных композиций для производства цельномышеных соленых мясопродуктов;

- научно обосновать пути интенсификации процесса посола мяса тумблированием; выполнить математическое моделирование процесса перераспределения давления рассола при его инъецировании в начальной зоне накопления в условиях интенсивных гидромеханических воздействий;

- создать и реализовать алгоритм расчета оптимальных режимов процесса тумблирования мяса в посоле с учетом технологической специфики обрабатываемого сырья и конструктивных особенностей тумблера;

- разработать частные технологии новых видов цельномышечных соленых мясопродуктов и конструктивные решения технологического оборудования для посола мяса тумблированием.

Концептуальная направленность работы состоит в научно-практическом обосновании новых подходов и методов интенсификации и совершенствования технологических процессов с использованием активированных кавитационной дезинтеграцией ЭХА-сред и разработке принципов их применения при производстве мясопродуктов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• результаты теоретического обоснования режимов кавитационной активации растворов NaCl на основе питьевой и ЭХА-воды, нейросетевые модели формирования их физико-химических и электрофизических свойств;
• теоретические аспекты интенсификации и механизмы процесса гидролиза коллагена в активированных жидких средах;
• научное обоснование интенсификации процесса проращивания зернобобовых и злаковых культур, используемых при производстве мясопродуктов, в кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-средах;
• принципы формирования функционально-технологических свойств наноструктурированных водо-жировых эмульсий на основе электрохимически-активированных сред;
• аналитико-экспериментальная оценка и основные закономерности формирования цветовых и других качественных характеристик цельномышечных мясопродуктов при их посоле в условиях вакуумного циклического тумблирования с применением кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов, содержащих цветорегулирующие добавки и различные типы красителей;
• математическая модель процесса вакуумного тумблирования мяса в установках с наклонной осью вращения, алгоритм оптимизации его режимов с учетом технологической специфики сырья, массы кусков мяса, геометрических размеров барабана тумблера и степени его заполнения сырьем;
• нейросетевая модель формирования высоких цветовых, физико-химических и структурно-механических показателей цельномышечных соленых мясопродуктов в зависимости от режимов вакуумного циклического тумблирования с применением кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов;
• частные технологии производства новых видов цельномышечных соленых мясопродуктов на основе кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-сред; оригинальные технические решения при разработке универсального оборудования для посола мяса тумблированием.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснованы режимы кавитационной активации растворов поваренной соли на основе питьевой воды и католита ЭХА-воды, разработана нейросетевая модель формирования физико-химических и электрофизических свойств таких растворов с учетом параметров кавитационной дезинтеграции.

Обоснованы принципы интенсификации процессов проращивания зернобобовых и злаковых культур, используемых при производстве мясопродуктов, с применением кавитационно-активированных ЭХА-сред.

Впервые изучен и теоретически описан процесс гидролиза коллагена в кавитационно-дезинтегрированных и ЭХА-средах с применением методов молекулярного моделирования и квантово-химических исследований. Расчетным путем определены и экспериментально подтверждены оптимальные соотношения активированной жидкой среды и белка для интенсификации его гидролиза.

Экспериментально доказана целесообразность применения ЭХА-сред в качестве основы получаемых кавитационной дезинтеграцией водо-жировых эмульсий при производстве эмульгированных мясопродуктов.

Разработаны принципы создания цветорегулирующих активированных рассольных композиций с применением натуральных красителей на основе гемоглобина крови, пониженным количеством нитрита натрия и поваренной соли в технологии мясопродуктов.

Создана математическая модель процесса тумблирования мяса при его посоле в установках с наклонной осью вращения, исследовано влияние геометрии барабана тумблера, угла его наклона и режимов работы на интенсивность гидромеханических воздействий. Разработан алгоритм расчета оптимальных режимов тумблирования мясного сырья с учетом его технологической специфики, массы кусков мяса, коэффициента заполнения барабана тумблера сырьем и его геометрических характеристик. Теоретически и экспериментально обоснованы режимы вакуумного циклического тумблирования мяса с позиций формирования высоких цветовых и других качественных характеристик готовых мясопродуктов с использованием кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов.

Новизна технических решений подтверждена 3 патентами РФ.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и предложены:

- параметры и режимы: регулирования физико-химических и электрофизических свойств активированных растворов NaCl различной концентрации на основе питьевой воды и католита; проращивания зернобобовых и злаковых культур; получения стабильных водо-жировых эмульсий на основе ЭХА-сред в условиях кавитационной дезинтеграции; гидролиза коллагена в экологически чистых активированных средах; вакуумного циклического тумблирования мяса с учетом его технологической специфики, массы кускового сырья и геометрии барабана;

- нейросетевые модели: формирования физико-химических и электрофизических свойств активированных растворов NaCl в зависимости от их концентрации, продолжительности и интенсивности кавитационной обработки; изменения качественных показателей цельномышечных изделий при их посоле тумблированием с использованием кавитационно-дезинтегрированных ЭХА-рассолов, в зависимости от степени вакуумирования, продолжительности активной фазы обработки и окружной скорости барабана тумблера; формирования цветовых характеристик готовых мясопродуктов с учетом концентрации цветорегулирующих добавок и натурального красителя на основе гемоглобина крови.

Результаты проведенных исследований реализованы в частных технологиях производства цельномышечных соленых мясопродуктов, подтвержденных разработанной технической документацией (ТУ 9213-005-02067965-01), апробацией и внедрением. Основные технико-технологические результаты и решения, а также рекомендации по разработке новых технологий и оборудования для посола мяса тумблированием апробированы и внедрены на предприятиях Ставропольского края, Карачаево-Черкесской Республики, Астраханской и Самарской области.

Научные и практические изыскания автора включены в лекционные курсы, учебные пособия, методические указания и используются при подготовке студентов, бакалавров и магистров технологических и технических специальностей.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в трудах, доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «PERMEA 2009» (Прага, 2009), Международном симпозиуме ММФ «Лактоза и её производные» (Москва, 2007), Международной НПК «Проблемы и перспективы совершенствования производства и промышленной переработки с/х продукции» (Волгоград, 2001), Международной НТК, посвящённой 70-летию Санкт-Петербургского ГУНТП (Санкт-Петербург, 2001), Международной НПК «Биоресурсы. Биотехнологии. Инновации Юга России» (Пятигорск, 2003), II Всероссийской НТК с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии и технические средства для их реализации» (Москва, 2004), региональных научно-технических конференциях (Ставрополь, 1999-2008), 38-й юбилейной отчётной научной конференции ВГТА (Воронеж, 2000), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ (1999-2008), а также демонстрировались на Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2006, 2007), Всероссийской выставке «НТТМ-2006» (Москва, 2006).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 58 научных работ, в том числе две монографии, два учебных пособия с грифом УМО, 28 статей, получено три патента на изобретения. Результаты экспериментальных исследований, опубликованные, а так же обобщённые в настоящей работе, выполнены автором или в соавторстве.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав с выводами, основных результатов и выводов, списка литературы из 347 источников и приложений с актами испытаний, дегустаций и внедрения. Работа содержит 335 страниц основного текста, 156 рисунков и 44 таблицы.

Список сокращений, приведенных в работе. ВВ – питьевая водопроводная вода; ВСС – водосвязывающая способность; ВУС – водоудерживающая способность; КВ, ЩВ – кислая (анолит) и щелочная (католит) электроактивированная (ЭХА) вода; КД – кавитационная дезинтеграция в кавитационном реакторе; КДВ – вода, прошедшая кавитационную активацию КД; ККДВ – кавитационно-дезинтегрированный анолит ЭХА-воды; НАЖС – наноактивированные жидкие среды (жидкие системы, прошедшие активацию путем их кавитационной дезинтеграции); НЗН – начальная зона накопления рассола; ОВП – окислительно-восстановительный потенциал; ОМВ – омагниченная вода; КЗ – коэффициент загрузки барабана тумблера; ФХС, ФТС – физико-химические и функционально-технологические свойства; ЭХА-вода (жидкости, среды, системы) – питьевая вода, прошедшая униполярную электрохимическую активацию в диафрагменных электроактиваторах, а так же растворы, среды или многокомпонентные системы на ее основе.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана общая характеристика работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующей информации о применение акустических колебаний, кавитационной дезинтеграции, электрохимической активации жидких сред в технологических процессах, а также тумблирования как одного из самых эффективных и распространенных способов интенсификации массообменных процессов в технологии посола мяса. Выделены преимущества каждого изученного способа интенсификации, отмечена возможность их комбинирования с целью синергизма функциональных свойств у объектов воздействия.

Установлено, что процессы активации в условиях кавитационной дезинтеграции протекают на молекулярном уровне, составляющих десятые доли нанометров: дегидратация молекул воды и ее кавитолиз, кавитационная сегрегация и эрозия, что позволяет именовать такой вид воздействия как наноактивирование.