Перспективные направления использования мембранных технологий в пищевой индустрии

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ОТРАСЛИ

ТЕМА НОМЕРА

УДК 663.256

Перспективные направления использования мембранных технологий

в пищевой индустрии

М. Н. Исламов, канд. техн. наук, доцент, М.М. Омаров, канд. техн. наук, профессор Дагестанский государственный технический университет

Среди основных причин снижения качества жидких пищевых продуктов значительное место занимают помутнения, связанные с повышенным содержанием ионов минерального состава. Из используемых в настоящее время различных способов стабилизации ионного состава вин и соков наиболее перспективными представляются мембранные способы обработки, не связанные с необходимостью введения в обрабатываемый продукт чужеродных химических реагентов и использования термической обработки, способствующих снижению пищевой ценности продукта и его экологической безопасности.

Мембранные технологии как методы разделения являются сравнительно новыми. Сфера применения мембранных процессов первого поколения - микро- и ультрафильтрации, обратного осмоса, электродиализа и диализа - постоянно расширяется. В последние годы активно развиваются и мембранные процессы второго поколения - газоразделение, первапорация, мембранная дистилляция и разделение с помощью жидких мембран.

В Дагестанском государственном техническом университете исследования по разработке перспективных технологий пищевых производств

с применением мембранных процессов проводятся уже более 20 лет. Обоснована возможность использования мембранных процессов для совершенствования технологии производства биологически нестойких напитков, шампанского производства, деметаллизации напитков, водопод-готовки в коньячном производстве и производстве безалкогольных напитков, стабилизации жидких пищевых продуктов для предотвращения различного рода помутнений, а также утилизации отходов перерабатывающей промышленности. Основное внимание уделяется совершенствованию технологических приемов обработки напитков с использованием электродиализа и электрохимической активации растворов [1].

Изучение возможности использования электродиализа для комплексной стабилизации напитков с целью предотвращения помутнений, связанных с избыточным содержанием компонентов минерального состава, и прежде всего катионов тяжелых металлов, проводили на трех различных лабораторных электродиализных аппаратах (ЭДА) - трехкамерном, многокамерном рамочного типа и многокамерном лабиринтного типа.

Обработке подвергали белое столовое вино с повышенным содержанием катионов железа. Для предотвращения помутнения вина из-за образования труднорастворимых солей фосфата и таннатов железа необходимо было удалить не менее 20 мг/дм3 железа (или 75% исходного содержания). Как видно из полученных результатов исследований, представленных на рис. 1, удалить такое количество ионов железа в трехкамерном ЭДА не удается при всех использованных режимах обработки - плотности тока от 50 до 150 А /м2 и удельной производительности от 75 до 200 дм3/ м2^ч.

Дальнейшее повышение количества электричества, прошедшего через обрабатываемое вино в ЭДА,

путем увеличения плотности тока или снижения удельной производительности аппарата приводит к чрезмерному нагреву вина и снижению его активной кислотности. Установлено, что увеличение плотности тока на 10 А /м2 вызывает повышение температуры обрабатываемого вина в среднем на 4 "С. С учетом максимально допустимого нагрева жидкости в камерах ЭДА до 40 °С плотность тока в аппарате не должна превышать 60-120 А /м2. Это связано прежде всего с отсутствием в настоящее время ионселективных мембран с повышенной термической устойчивостью, что ограничивает возможность использования высокотемпературных режимов работы ЭДА при обессоли-вании растворов.

Кроме того, повышение температуры напитка не всегда оказывает положительное влияние на его орга-нолептические показатели. С увеличением плотности тока происходит также заметное уменьшение величины рН вина в результате возникновения концентрационной поляризации на границе раствор-мембрана. Предотвратить возникновение концентрационной поляризации можно, создав у поверхности мембраны турбулентный поток жидкости.

В собранном нами многокамерном ЭДА рамочного типа для этой цели были установлены внутри рамок турбулизирующие сетки-прокладки, что позволило значительно интенсифицировать процесс удаления солей тяжелых металлов из вина. Преимуществом конструкции многокамерных ЭДА является также то, что в них по сравнению с трехкамерными аппаратами уменьшается расход дорогостоящих мембран и электродного материала на единицу обрабатываемой жидкости.

Обработка модельной системы с содержанием железа 30,0 мг/дм3 в многокамерном ЭДА рамочного типа показала (рис. 2), что удалить из раствора 60 - 80% железа становится возможным при удельной производительности аппарата не более 40 дм3/ м2^ч при плотности тока 50 -100 А /м2.

Сравнивая зависимость удаления ионов железа от количества электричества, прошедшего через ЭДА при различной плотности тока, можно отметить, что для проведения электродиализа вина достаточно плотности тока в пределах 60 -80 А /м2. Дальнейшее увеличение плотности тока ведет к снижению интенсивности удаления ионов из вина.

Кроме ЭДА рамочного типа нами исследована еще одна конструкция многокамерного аппарата - ЭДА лабиринтного типа, в котором скорость

TECHNICAL SUPPLY OF INDUSTRY

Таблица 1

Удаление железа из вина (в % от исходного содержания) при обработке в

различных ЭДА*

Тип ЭДА Количество удаленного железа (%) при удельной производительности ЭДА, дм3/м2-ч

Трехкамерный 10 16 24 28 39 -

Многокамерный рамочного типа 12 19 31 38 50 84

Многокамерный лабиринтного типа 16 27 49 70 91

* Исходное содержание железа в вине - 28,2 мг/дм3, плотность тока на аппаратах - 60 А/м2

протекания потоков была в шесть раз выше, чем в установке рамочного типа. Для сравнительной оценки зависимости удаления ионов от типа ЭДА во всех трех указанных аппаратах было обработано одно и то же белое столовое вино, содержащее 28,2мг /дм3 железа.

Полученные данные, представленные в табл. 1, показывают, что при обработке вина в ЭДА лабиринтного типа удаление железа происходит значительно интенсивнее, чем в аппарате рамочного типа.

Так, если удаление 60 - 80% железа из вина достигается при удельной производительности ЭДА рамочного типа не более 50 дм3/ м2^ч, то в аппарате лабиринтного типа такое же количество железа удаляется уже при удельной производительности 60 - 80 дм3 / м2^ч. Кроме того, было отмечено, что при обработке в трех-камерном ЭДА происходит повышение температуры вина до 50 °С и снижение рН до 2,65, а в многокамерном ЭДА рамочного типа температура и рН вина изменялись в значительно меньшей степени - температура повышалась лишь до 28...32 °С, а рН снижалось только на 0,10 - 0,15.

Улучшение условий перехода ионов через мембрану в данном случае, очевидно, связано со снижением концентрационной поляризации системы раствор-мембрана в лабиринтном ЭДА, гидродинамические характеристики которого выше, чем у других электродиализаторов.

Перспективным направлением совершенствования технологических процессов пищевых производств является также использование электрохимически активированных (ЭХА) растворов, полученных в проточном диафрагменном электрохимическом реакторе (ДЭР).

Нами изучена возможность использования электрохимической активации и применения ЭХА-растворов для интенсификации процесса экстрагирования биологически активных веществ при утилизации виноградных выжимок, количество которых составляет 10 - 15% массы перерабатываемого винограда.

Используемые при утилизации отходов виноделия химические методы извлечения биологически активных веществ имеют существенные недостатки, связанные с необходимостью применения большого количества химических реагентов, длительностью реакций, коррозией оборудования и т. д. Кроме того, получаемые вторичные продукты часто не соответствуют экологическим нормам [2].

Как известно [3], технология электрохимической активации основана на получении в специальных ДЭР метастабильных (активированных) растворов с аномальной физико-химической активностью. Для этой цели в своих исследованиях мы использовали ЭХА-воду (анолит), полученную в ДЭР типа «Изумруд» отечественного производства.

Виноградную выжимку с содержанием 8,3% сахаров, 0,82% винной кислоты и 51%-ной влажностью экстрагировали ЭХА-водой с рН 3,5 и окислительно-восстановительным потенциалом 800 мВ. В качестве контроля для экстрагирования использовали горячую воду с рН 3,5, подкисленную серной кислотой. Время экстракции в обоих вариантах составило 45 мин, соотношение выжимка:экстрагент = 1:1. После экстрагирования выжимку прессовали для извлечения диффузионного сока в количестве, равном объему добавленного экстрагента.

Результаты экспериментальных исследований, приведенные в табл. 2, показывают, что применение анолита в качестве экстрагента позволяет увеличить выход водорастворимых БАВ из выжимки на 0,3 - 0,6% по сравнению с контролем. При этом процесс экстракции протекает при температуре 20.25 °С и исключается необходимость использования различных химических реагентов.

Результаты исследований позволяют рекомендовать новый способ экстрагирования виноградных выжимок с использованием ЭХА-воды для извлечения ценных биологически активных веществ из отходов виноделия на перерабатывающих предприятиях.

25 50 75 100

Плотность тока, А /м2 Рис. 2. Зависимость удаления железа из вина от плотности тока при удельной производительности многокамерного ЭДА рамочного типа, дм3 / м2-ч: 1 -25; 2 - 30; 3 - 37,5; 4 - 50; 5 - 75

Таблица 2

Влияние состава экстрагента на извлечение БАВ из выжимок

Экстрагент

Показатель Горячая подкисленная вода

Температура экстрагирования, °С 75 25

Содержание БАВ в диффузионном соке:

сахар, % 7,2 7,8

винная кислота, % 0,73 0,76

Исследовали также перспективные направления использования мембранных технологий в производстве безалкогольных напитков. С целью сокращения расходов и продолжительности технологического процесса приготовления безалкогольных напитков разработана принципиально новая технология производства напитков, предусматривающая приготовление купажа на основе коньячной барды, осветленной методом электродиализа [4]. При этом осветление коньячной барды проводили в камерах обессоливания ЭДА при удельной производительности 55 - 60 дм3/ м2^ч.

При электродиализной обработке коньячной барды из нее удаляются компоненты ионного состава, способствующие образованию в напитках белковых и полифенольных помутнений. Электродиализ жидкости осуществляли в многокамерном ЭДА с чередующимися анион-и катионселективными мембранами при значениях плотности тока ниже предельных. Осветление барды, таким образом, можно осуществлять в непрерывном потоке при производительности процесса в 7 - 8 раз выше, чем традиционным способом, с использованием неорганических и органических осветлителей (табл. 3).

HI ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ОТРАСЛИ

Щф1 ТЕМА НОМЕРА

Таблица 3

Влияние способа обработки коньячной барды на качественные показатели безалкогольного напитка

Обработка барды

Показатель при добавлении минеральных и органических В ЭДА с удельной производительностью, дм3 /м2-ч

осветлителей 54 58 62

Используемые реагенты Бентонитовая суспензия + полиакриламид - - -

Производительность процесса осветления (из расчета рабочей площади ионселек-тивных мембран в ЭДА 100 м2), дал / ч 83,3 540 580 620

Плотность тока в аппарате, А /м2 - 60 60 60

Массовая доля сухих веществ, % 9,2 9,2 9,2 9,2

Кислотность, 1 М раствор №ОН, см3 на 100 см3 3,2 1,1 2,8 3,2

Массовая доля С02, % 0,4 0,4 0,4 0,4

Стойкость, сут 12 14 14 5

Дегустационная оценка, баллы 20 15 22 12

Режимы работы ЭДА выбирали исходя из начальных показателей химического состава коньячной барды и требуемой глубины обработки. После электродиализной обработки коньячную барду использовали для приготовления купажа напитков с последующим газированием.

Безалкогольные напитки, полученные на основе коньячной барды, обработанной предлагаемым способом, имели янтарный цвет, кристальную прозрачность и повышенное

содержание биологически ценных веществ. Преимуществом предлагаемой технологии является также и то, что при использовании коньячной барды вместо обработанной воды при производстве безалкогольных напитков отпадает необходимость добавлять в купаж пищевые кислоты и красители.

При производстве натуральных безалкогольных напитков на виноградной основе в состав купажного сиропа добавляли концентрирован-

ный виноградным сок, полученный из виноградного сусла, предварительно обработанного методом электродиализа для снижения титруемой кислотности [5].

Готовый напиток имел соответствующий стабильный аромат, кристальную прозрачность, устойчивую в течение всего срока хранения, гармоничный приятный полный вкус и высокое содержание ценных для организма биологически активных соединений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Исламов, М.Н. Электродиализ в ви-ноделии/М.Н. Исламов. - М., 2011. -215 с.

2. Разуваев, Н.И. Комплексная переработка вторичных продуктов виноде-лия/Н.И. Разуваев. - М., 1975. - 168 с.

3. Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов/Под ред. В.М. Бахира. - М., 2001. - 175 с.

4. Патент 2372399 РФ . Способ извлечения виннокислых соединений из виноградной выжимки /Т.А. Исмаи-лов, М.Н. Исламов, М.Т. Темербулатов. -Бюл. № 31. - 6 с.

5. Патент 2359530 РФ. Способ получения концентрата виноградного сока/ Т.А. Исмаилов, М. Н. Исламов, А.А. Абдуллаев. - Бюл. № 18. - 5 с.

Перспективные направления использования мембранных технологий в пищевой индустрии

Ключевые слова

ионный состав; качество; мембранные технологии; напитки; стабилизация; электродиализ; электрохимическая активация

Реферат

В пищевой индустрии все большее применение находят электрофизические методы обработки сырья и полуфабрикатов с целью повышения качества и экологической безопасности готовой продукции. В отличие от большинства используемых способов обработки данные методы не связаны с необходимостью внесения в продукт посторонних химических реагентов или воздействия высоких температур. В Дагестанском государственном техническом университете проведены исследования по изучению возможности регулирования ионного состава жидких пищевых продуктов методом электродиализа для обеспечения их гарантированной стойкости и стабильности при хранении. Установлено, что при электродиализе из обрабатываемых сред можно удалить до 80% катионов тяжелых металлов, вызывающих необратимые коллоидные и кристаллические помутнения напитков. Предлагаются также новые технологии производства безалкогольных напитков и извлечения биологически активных веществ из вторичного сырья продуктов переработки винограда с использованием электрохимически активированных растворов.

Авторы

Исламов Мурад Нурмагомедович, канд. техн. наук, доцент, Омаров Магомед Мангуевич, канд. техн. наук, профессор Дагестанский государственный технический университет, 367015, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, д. 70, astrahvino@rambler.ru

Perspective Directions the Use of Membrane Technology in Food Industry

Key words

membrane technology; electrodialysis; electrochemical activation; ionic structure; stabilization; quality; drinks

Abstracts

In the food industry are increasingly applying electro-physical methods of processing raw materials and semi-finished products with a view to improving the quality and safety of the finished product. Unlike most methods of processing these methods do not relate to the product of extraneous chemicals or high temperatures. In Dagestan State Technical University carried out a study on possible regulation of ionic composition of liquid foodstuffs by electrodialysis to guarantee durability and stability during storage. It is ascertained that when the lektrodialize of cultivated environments you can remove up to 80% of heavy metal cations, causing irreversible colloid and crystalline turbidity of drinks. There is also a new technologies of production soft drinks and of extracting biologically active compounds from recycled materials products of processing of grapes using electrochemically activated solutions.

Authors

Islamov Murad Nurmagomedovich, Candidate of Technical Science, Candidate of Technical Science, Docent, Omarov Magomed Manguevich, Candidate of Technical Science, Professor, Dagestan State Technical University, 70, Pr. I. Shamilya, Makhachkala, 36701,astrahvino@rambler.ru