Технологія переробки воскоподібних компонентів у продукти харчового та технічного призначення

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.18.06 − технологія жирів, ефірних масел і парфумерно-косметичних продуктів (18 – Виробництво та технології). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти й науки України, Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена науковому обґрунтуванню та розробці технології вилучення воскоподібних компонентів з відходів олієжирової галузі та переробки вилучених воскоподібних компонентів у харчових продуктах та продуктах технічного призначення. Актуальність роботи пов’язана з удосконаленням технології вилучення воскоподібних компонентів з відходів олієжирової галузі та раціональним застосуванням воскоподібних компонентів рослинного походження. Рівень розвитку олієжирової промисловості значною мірою визначається утилізацією відходів виробництва. У сучасному виробництві олій і жирів відбуваються суттєві структурні зміни, спрямовані на інтенсифікацію виробництва і максимальне використання відходів олієжирової галузі агропромислового комплексу України. В процесі переробки олійної сировини, особливо соняшника, на стадіях шеретування насіння відходами виробництва є соняшникове лушпиння, що не знаходять подальшого застосування. Удосконалення технології вилучення корисних речовин з відходів і подальше їх використання достатньо актуальні в наш час. Зростаючі вимоги відносно якості харчових продуктів, розширення області застосування воскоподібних компонентів і посилення конкуренції у сфері харчового виробництва вимагають удосконалення технології переробки вторинної сировини, в тому числі воскоподібних компонентів. З метою утилізації відходів і визначення можливих напрямів практичного застосування виконувались дослідження способу вилучення воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння. Актуальність теми та вагомість результатів дисертаційної роботи підтверджуються тим, що вона виконувалась на кафедрі технології жирів та продуктів бродіння НТУ "ХПІ" у межах держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри технології жирів та продуктів бродіння НТУ "Харківський політехнічний інститут" згідно науково-дослідної тематики К 4801 "Наукове обґрунтування та удосконалення методів видобування і переробки жирів, одержання продуктів бродіння, напоїв та виноробства (фундаментальне дослідження)" (ДР№011U000880) (м. Харків) та сумісно з кафедрою технологій природних та синтетичних полімерів, жирів та харчової продукції ДВНЗ УДХТУ "Синтез та властивості нових полімерних матеріалів та олеохімічних продуктів" (ДР№ 0116U001718, 2016-2019 р.р.), "Синтез та застосування функціональних добавок в харчових продуктах та полімерних матеріалах" (ДР№0120U101635, 2020-2022 р.р.) (м. Дніпро), де здобувач була виконавцем окремих етапів роботи. Практичне значення роботи для олієжирової галузі полягає в удосконаленні технології вилучення воскоподібних компонентів з відходів переробки олійної сировини. Розроблена технологія дозволяє в значній мірі знизити втрати на стадії шеретування в процесі добування соняшникової олії у вигляді соняшникового лушпиння, яке містить значну кількість воскоподібних компонентів. Проведено апробацію в дослідно-промислових умовах на підприємстві ВАТ ТПК "ОліПром", м. Дніпро, а також розроблена технологія застосування вилучених воскоподібних компонентів буде впроваджена на підприємствах ТОВ "Кондитерська фабрика "Стимул" та ТОВ "Еліксір". Результати дисертаційної роботи використовуються в якості матеріалу для самостійного вивчення в навчальному процесі кафедри технологій природних і синтетичних полімерів, жирів та харчової продукції під час викладання дисциплін "Технології переробки рослинних жирів", "Технологія добування рослинних жирів", "Загальні технології харчової промисловості", "Теоретичні основи технології харчових виробництв"; кафедри технології жирів та продуктів бродіння НТУ "ХПІ" під час викладання дисциплін "Технологія галузі. Технологічні розрахунки, облік та звітність у галузі" і "Сучасні напрями розвитку технології переробки жирів", в курсовому та дипломному проектуванні, а також науково-дослідній роботі студентів зі спеціальності 181 "Харчові технології". У дисертаційній роботі вперше одержано нові наукові дані щодо вилучення воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння методами занурення та перколяції за допомогою органічного розчинника (гексан) та використання вилучених воскоподібних компонентів у восковмісних продуктах. Експериментально доведено, що перколяція з наступним виморожуванням воскоподібних компонентів з місцели є раціональним методом вилучення воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння. Проведено експериментальні дослідження з обґрунтування вибору діапазонів обраних технологічних параметрів, а саме: співвідношення соняшникове лушпиння : розчинник як 1 : 1, 1 : 2, 1 : 3 та 1 : 4, тривалість процесу екстракції у діапазоні 2-8 год., температурі виморожування воскоподібних компонентів з місцели у діапазоні 4-25ºС. На основі отриманих результатів дослідження, за допомогою апроксимаційного моделювання, визначено раціональні технологічні умови (співвідношення сировина : розчинник, тривалість екстракції, температура виморожування) вилучення воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння. Визначено залежність температури плавлення воскоподібних компонентів соняшникового лушпиння від температури процесу виморожування та виходу воскоподібних компонентів соняшникового лушпиння. За результатами проведених досліджень восковмісної продукції із застосуванням отриманих воскоподібних компонентів зроблено висновки, що одержані воскоподібні компоненти мають достатньо високі фізико-хімічні показники в порівнянні з бджолиним воском та парафінами, що дозволяє значно розширити спектр їхнього застосування в різних галузях промисловості. На основі експериментально отриманих фізико-хімічних та структурних показників вилучених воскоподібних компонентів та порівняльної характеристики якісних показників з бджолиним воском та парафінами зроблено висновки, що вилучені воскоподібні компоненти можуть застосовуватися в аналогічних галузях виробництва. Одержано якісний та кількісний склад воскоподібних компонентів за допомогою інфрачервоної спектроскопії та хроматографічного аналізу. Запропоновано технологію та наведено структурну схему вилучення воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння методом занурення та перколяції з використанням в якості розчинника гексан, з подальшим виморожуванням воскоподібних компонентів з отриманої місцели та отримання воскоподібних компонентів як готового продукту. На підставі отриманих раціональних технологічних параметрів розроблені технологічні схеми вилучення та переробки воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння та подальшим одержанням товарного продукту методом виморожування. Економічна оцінка розроблених технологічних рішень показала, що застосування перспективних технологій вилучення воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння як відходу оліє-жирової галузі із застосуванням засад безвідходного виробництва, типового устаткування, дозволяє одержати конкурентоспроможний товарний продукт – воскоподібні компоненти, які за показниками не поступаються найбільш розповсюдженим бджолиному воску, карнаубському воску та парафінам. Включення перспективних технологій вилучення та переробки воскоподібних компонентів з соняшникового лушпиння у виробництві соняшникової олії значно знизить її вартість та підвищить рентабельність вітчизняних підприємств.The dissertation for obtaining the scientific degree of candidate of technical sciences (PhD.) in specialty 05.18.06 – technology of fats, essential oils and perfumery and cosmetic products (18 – Production and technologies). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the scientific substantiation and development of the technology of extraction of waxy components from the waste of the oil and fat industry and processing of the extracted wax components in food and technical products. The urgency of the work is related to the improvement of the technology of extraction of waxy components from the waste of the oil and fat industry and the rational use of waxy components of plant origin. The level of development of the oil and fat industry is largely determined by the utilization of industrial waste. In the modern production of oils and fats there are significant structural changes aimed at intensifying production and maximum use of waste oil and fat industry of the agro-industrial complex of Ukraine. In the process of processing oilseeds, especially sunflower, at the stages of seed shearing, the production waste is sunflower husk, which is not further used. Improvements in the technology of extraction of nutrients from waste and their further use are quite relevant today. Growing demands on the quality of food products, expanding the scope of wax components and increasing competition in food production require improvements in the processing of secondary raw materials, including wax components. In order to dispose of waste and determine possible areas of practical application, studies were performed on the method of extracting waxy components from sunflower husk. The relevance of the topic and the importance of the results of the dissertation are confirmed by the fact that it was performed at the Department of Fat Technology and Fermentation Products of NTU "KhPI" within the state budget research work of the Department of Fat Technology and Fermentation Products of NTU "Kharkiv Polytechnic Institute" according to program K 4801 and improvement of methods of extraction and processing of fats, production of fermentation products, beverages and winemaking (fundamental research) (RW № 011U000880) (Kharkiv) and in conjunction with the Department of Natural and Synthetic Polymers, Fats and Food SHEI USCTU "Synthesis and properties of new polymeric materials and oleochemical products" (RW № 0116U001718, 2016-2019), "Synthesis and application of functional additives in food and polymeric materials" (RW № 0120U101635, 2020- 2022) (Dnipro), where the applicant was the executor of certain stages of work. The practical significance of the work for the oil and fat industry is to improve the technology of extraction of waxy components from waste oil processing. The developed technology allows to significantly reduce losses at the stage of sieving in the process of extracting sunflower oil in the form of sunflower husk, which contains a significant amount of waxy components. Approbation was carried out in experimental and industrial conditions at the enterprise of OJSC TPK "OliProm", Dnipro, and also the developed technology of application of the extracted wax-like components will be introduced at the enterprises of LLC Confectionery "Stimul" and LLC "Elixir". The results of the dissertation are used as material for independent study in the educational process of the Department of Technologies of Natural and Synthetic Polymers, Fats and Food Products during teaching disciplines "Technology of vegetable fat processing", "Technology of vegetable fat extraction", "General technologies of food industry", "Theoretical foundations of food production technology"; Department of Technology of Fats and Fermentation Products of NTU "KhPI" during the teaching of disciplines "Technology of the industry. Technological calculations, accounting and reporting in the field" and "Modern directions of development of fat processing technology", in course and diploma design, as well as research work of students majoring in 181 "Food Technology". In the dissertation work for the first time new scientific data on the extraction of waxy components from sunflower husk by immersion and percolation using an organic solvent (hexane) and the use of extracted waxy components in wax products. It has been experimentally proved that percolation followed by freezing of waxy components from the place is a rational method of extracting waxy components from sunflower husk. Experimental studies were conducted to substantiate the choice of ranges of selected technological parameters, namely: the ratio of sunflower husk: solvent as 1: 1, 1: 2, 1: 3 and 1: 4, the duration of the extraction process in the range of 2-8 hours, the freezing point of wax components from the local in the range of 4-25ºC. Based on the obtained research results, with the help of approximation modeling, rational technological conditions (ratio of raw materials: solvent, extraction duration, freezing temperature) of extraction of waxy components from sunflower husk are determined. The dependence of the melting temperature of waxy components of sunflower husk on the temperature of the freezing process and the yield of waxy components of sunflower husk is determined. According to the results of studies of wax-containing products using the obtained wax-like components, it is concluded that the obtained wax-like components have quite high physicochemical parameters in comparison with beeswax and paraffins, which allows to significantly expand the range of their application in various industries. Based on experimentally obtained physicochemical and structural parameters of the extracted wax components and comparative characteristics of quality indicators with beeswax and paraffin, it is concluded that the extracted wax components can be used in similar industries. Qualitative and quantitative composition of waxy components was obtained by infrared spectroscopy and chromatographic analysis. The technology is proposed and the structural scheme of extraction of waxy components from sunflower husk by immersion and percolation using hexane as a solvent, followed by freezing of waxy components from the obtained local and obtaining waxy components as a finished product. On the basis of the received rational technological parameters technological schemes of extraction and processing of waxy components from sunflower husk and the subsequent reception of a commodity product by a freezing method are developed. Economic evaluation of the developed technological solutions showed that the use of promising technologies for the extraction of waxy components from sunflower husk as waste oil and fat industry using the principles of waste-free production, standard equipment, allows to obtain a competitive product - waxed components, carnauba wax and paraffin. The inclusion of promising technologies for extraction and processing of waxy components from sunflower husk in the production of sunflower oil will significantly reduce its cost and increase the profitability of domestic enterprises.