Науково-практичне обґрунтування інноваційних технологій переробки насіння олійних культур

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.06 "Технологія жирів, ефірних масел і парфумерно-косметичних продуктів" (18 – Виробництво та технології). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертаційну роботу присвячено вирішенню науково-прикладної проблеми – розробці науково обґрунтованих технологій переробки насіння соняшнику сучасної селекції з одержанням безлушпинного ядра, пресової харчової олії, комплексної переробки соняшникової макухи та технології обрушування сафлора вітчизняних сортів для виробництва харчової олії. Актуальною науковою проблемою є теоретичне обґрунтування та розробка сучасної ресурсозаощадної екологічно безпечної технології переробки насіння соняшнику сучасної селекції з повним використанням харчового потенціалу та обрушування насіння сафлору вітчизняних сортів з одержанням харчової олії. Вирішенню цієї проблеми присвячено дисертаційну роботу. Актуальність виконаної здобувачем дисертаційної роботи обумовлено також тим, що вона виконувалась в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: «Дослідження процесів отримання білкових продуктів на підставі дослідження хімічного складу насіння соняшнику вітчизняної селекції та розробка теоретичних основ технології одержання різноманітних форм білкових продуктів» (ДР № 0111U005035); "Наукове обґрунтування та розробка технології, нормативної і технологічної документації для переробки насіння олійних культур: соняшнику, сої, ріпаку на одній технологічній лінії олійно-екстракційного виробництва" (ДР № 0114U001498); "Створення харчових продуктів підвищеної біологічної цінності з використанням білкового концентрату із безлузгового ядра насіння соняшнику" (ДР № 0116U003221); "Потенціал вітчизняного ринку насіння олійних культур та продуктів їх переробки" (ДР № 0117U002375); "Визначення фізико-хімічних характеристик і складу насіння нових ліній та гібридів соняшнику" (ДР № 0119U000184), де здобувач був відповідальним виконавцем окремих етапів роботи. Сформульовано робочі гіпотези про доцільність проведення досліджень основних стадій нових технологій: обрушування олійного насіння при мінусових температурах в полі відцентрових сил; "холодного" пресування сирого безлузгового ядра; екстракційного розділення макухи за допомогою спиртової екстракції в кавітаційній установці. На основі інноваційних рішень зазначених проблем сформульовано нову концепцію переробки насіння соняшника, засновану на новій технології якісного обрушування насінин в попередньо охолодженому стані, принципах максимальної селективності (вибірковості) проведення основних процесів переробки; зміни послідовності їх проведення з урахуванням принципу поступового накопичення концентрацій супутніх речовин для полегшення їх виділення; відмови від проведення технологічних операцій, пов'язаних з підвищеною температурою переробки; використання хімічних реагентів та нехарчових розчинників, а також скорочення кількості операцій. На основі розробленого способу обрушування олійного насіння в попередньо охолодженому стані експериментально виявлені закономірності процесу обрушування насіння соняшника високоолійного і кондитерського сортів, а також насіння сафлору сортів вітчизняної колекції, пов'язані з можливістю їх якісного (до глибини 95...99 %) обрушування незалежно від малої величини повітряного прошарку між ядром і оболонкою або повної його відсутності, як у насінні сафлору; можливістю якісного обрушування всіх фракцій, включаючи дрібні; виявлено вплив відношення вологість : мінусова температура обрушування на якісний склад рушанки і показники якості обрушування олійного насіння. Показано можливості вирішення на стадії обрушування і ряду інших завдань: зниження в 2,3 – 2,8 рази виходів (в складі рушанки) олійного пилу, січки і непошкодженого ядра (ядра з носиком) та інші. Науково обґрунтовано і визначено раціональні умови обрушування насіння соняшнику сучасної селекції і сафлору вітчизняних сортів при мінусових температурах. Раціональна (вона ж максимальна) ступінь обрушування сухих насінин соняшника становить 0,99 і досягається за температури обрушування -30...-50 °С і частоти ротора насіннєрушки 26,7 с-1. Максимальний вихід і максимальне збереження цілого ядра досягаються при температурі -30...-50 °С, вологості насіння 6,0 % і мінімальних обертах ротора насіннєрушки 20,0 с-1. Визначено органолептичні властивості, жирнокислотний і ацілгліцеріновий склад, склад стеринової фракції одержуваних олій. Доведено можливість вилучення якісної олії на шнекових пресах з сирого безлушпинного ядра без його попереднього подрібнення і волого-теплової обробки. Визначено ефективні параметри процесу пресування: величина необхідного навантаження, розмір щілин між зеєрними пластинами. Науково обґрунтовано та розроблено технологію комплексної переробки соняшникової макухи з безлузгового ядра, за якою можна отримати: олію екстракційну, шрот (або борошно) та рослинний антиоксидант. Показано, що ці продукти можна одержати шляхом обробки макухи безлузгового ядра насіння соняшнику в кавітаційній установці харчовим розчинником (етиловим спиртом), або сумішшю розчинників (гексан : етиловий спирт). Розраховано ефективні параметри процесу (температура 60°С, тривалість – 20 хв.) та встановлено, що для досягнення більш високого ступеню вилучення олії (до 95 %) і хлорогенової кислоти (до 97 %) з макухи доцільно використовувати спосіб двоступеневого екстрагування. Розроблено структурні схеми основних технологічних стадій інноваційної технології переробки насіння соняшнику. Розроблена технологія є універсальною для переробки насіння і інших плодів, що мають досить пластичне ядро і крихку оболонку. На основі теоретичних і експериментальних даних про хімічний склад, мікроструктуру, агрегатний стан і реологічні властивості морфологічних частин і окремих структурних елементів насінини, виявлено закономірності, що розкривають складний механізм впливу базових і ефективних пластично-міцнісних властивостей насіння різного ступеню вологості, умов обрушування (низькотемпературного, динамічного та орієнтаційного факторів) на ступінь обрушування насіння і збереження цілого ядра. Економічну доцільність запропонованої технології підтверджено розрахунками. Завдяки скороченню декількох технологічних операцій техніко-економічний ефект використання запропонованої технології полягає у зниженні матеріальних і енергетичних витрат. Доцільність застосування такої безвідходної технології підтверджується підвищенням прибутковості підприємств, оскільки дозволить отримувати одночасно три харчових продукти. Екологічна безпека виробництва заснована на частковій заміні нафтового розчинника на харчовий етанол. А у разі переробки екологічно чистої сировини і відсутності в розробленій технології чинників, що знижують екологічну безпеку, можна вважати, що випускна харчова продукція відповідає за якістю органічній. В дисертаційній роботі вперше було визначено вплив орієнтаційних факторів (удар насіннини об деку насіннєрушки гострим, тупим або випадково орієнтованим кінцем) на процес обрушування дрібної фракції (3,2–3,4 мм) насіння соняшнику. Створено теоретичну закономірність, що пов’язує чинні уявлення щодо хімічного складу, структури та пластично-міцністних властивостей морфологічних складових насінини високоолійного соняшнику з коефіцієнтом обрушування і ступенем збереження цілого ядра. Виявлена закономірність розширює існуючі уявлення про можливості управління процесами низькотемпературного обрушування, є науковим обґрунтуванням прийняття технологічних рішень. Введено поняття про критичне співвідношення між ефективними пластичними і ефективними міцністними властивостями насінини та її частин, що пояснює екстремальну (з максимумом) низькотемпературну залежність коефіцієнту збереження цілого ядра, що дозволяє також визначити положення максимуму на температурній шкалі обрушування. Виявлено реологічний характер соняшникової олії в ядрі насіння в діапазоні температур +20…-196°С, що пояснює зміну пружно-пластичних властивостей плодової оболонки насіння під час обрушування. Одержано нові наукові дані щодо впливу дії тиску і температури пресування сирого безлузгового ядра, одержаного за умови обрушування високоолійного соняшнику за мінусових температур на ефективність вилучення олії. Одержано нові наукові дані щодо структурних показників, органолептичних властивостей соняшникової та сафлорової олій, одержаних з сирого безлузгового ядра методом холодного пресування, а також екстракційної соняшникової олії, білкового продукту та антиоксиданту, вилучених з харчової макухи. В дисертаційній роботі набули подальшого розвитку теоретичні закономірності обрушування олійного насіння в умовах дії мінусових температур. Практичне значення одержаних результатів для олійно-жирової промисловості полягає у створенні принципово нової ресурсозберігаючої екологічно безпечної технології переробки насіння соняшнику сучасної селекції та сафлору вітчизняних сортів, яка передбачає обрушування попередньо охолодженого насіння (в діапазоні -20… -50°С) з одержанням безлушпиного ядра соняшнику і ядрової фракції насіння сафлору з високим ступенем обрушування, достатнім для одержання харчової олії холодного пресування. Таким чином, вдосконалення існуючих технологій промислової переробки насіння соняшнику і cафлору та створення нових технологій та обладнання для виробництва харчових білкових продуктів дозволить збільшити комплексне використання вітчизняної сировини і підвищити ресурси продовольчого білка в Україні. Результати дисертаційної роботи пройшли випробування на підприємствах олійно-жирової та суміжних галузей, зокрема на підприємстві «Завод Фадєєв Агро» під час розробки початкових даних для проектування нових насіннєрушок соняшнику сучасних гібридів та ліній; на НВ ПП "Інститут "ТЕКМАШ". Результати досліджень дисертаційної роботи Перевалова Л. І., які було проведено в період 2015-2017°рр., використовуються в наукових розробках Інституту рослинництва імені В. Я. Юр'єва НААН України (м. Харків). Для підприємств олійно-жирової галузі розроблено та узгоджено з УкрНДІОЖ НААН (м. Харків) практичні рекомендації щодо впровадження інноваційних технологій. Результати наукових досліджень впроваджено у навчальний процес кафедри технології жирів та продуктів бродіння НТУ "ХПІ" під час викладання дисциплін "Інженерне проектування технологій", у курсовому та дипломному проектуванні (в режимі активних методів навчання). Основні положення дисертаційної роботи одержано здобувачем самостійно. Серед них: планування експериментів, виконання теоретичної та експериментальної частини роботи, здійснення вимірювання досліджуваних об’єктів, інтерпретація одержаних результатів та їх статистична обробка; формулювання висновків дисертації; розробка нормативної документації; впровадження отриманих результатів у виробництво та навчальний процес. Постановку мети і задач досліджень, обговорення і аналіз одержаних результатів виконано разом з науковим консультантом. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 38 наукових працях, у тому числі: 15 статей у наукових фахових виданнях України, 4 статті у закордонних періодичних наукових виданнях, 1 патент України, 3 – у галузевому виданні України; 15 – у матеріалах конференцій.Dissertation for obtaining the scientific degree of doctor of technical sciences 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 solving a scientific and applied problem – the development of scientifically grounded technologies for processing sunflower seeds of modern selection with obtaining a husk-free kernel, pressed edible oil, complex processing of sunflower oilcake and the technology of safflower's domestic varieties dehulling for production of edible oil. An urgent scientific problem is the theoretical substantiation and development of a modern resource-saving environmentally friendly technology for processing sunflower seeds of modern selection with the full use of the food potential and dehulling of safflower's seeds domestic varieties to obtain edible oil. The dissertation work is devoted to solution of this problem. The relevance of dissertation work, performed by the applicant, is also due to the fact that it was carried out within the framework of the state budget research work «Research of the processes of obtaining protein products based on the study of the chemical composition of sunflower seeds of domestic breeding and development of theoretical foundations of technology for obtaining various forms of protein products» (RW № 0111U005035); «Scientific substantiation and development of technology, regulatory and technological documentation for processing of oilseeds: sunflower, soybeans, rapeseed on one technological line of oil extraction plant» (RW № 0114U001498); «Creation of food products of increased biological value using protein concentrate from the husk-free sunflower kernel» (RW № 0116U003221); «Potential of domestic market for oilseeds and products of their processing» (RW № 0117U002375); «Determining of physicochemical characteristics and composition of seeds of new lines and hybrids of sunflower» (RW № 0119U000184), where applicant was responsible executor of certain stages of work. Work hypotheses have been formulated about the feasibility of researching main stages of new technologies: dehulling of oil seeds at subzero temperatures in the field of centrifugal forces; «cold» pressing of raw huskless kernel; extraction separation of oilcake using alcohol extraction in a cavitation unit. On the basis of innovative solutions to these problems, a new concept of sunflower seed processing has been formulated, based on a new technology of high-quality dehulling of seeds in a pre-cooled state, the principles of maximum selectivity for carrying out the main processes of seed processing; changing the sequence of their implementation, taking into account the principle of gradual accumulation of related substances concentrations to facilitate their release; refusal to carry out technological operations associated with an increased processing temperature; use of chemicals and non-food solvents, as well as a reduction in the number of operations. On the basis of the developed method for oilseeds dehulling in a pre-cooled state, the regularities of dehulling process of high-oil and confectionery varieties of seeds were experimentally revealed, as well as safflower seeds of domestic collection varieties, associated with the possibility of their high-quality (up to a depth of 95...99 %) dehulling regardless of small size of air gap between kernel and shell or its complete absence, as in safflower seeds; the possibility of high-quality dehulling of all fractions, including small ones; the influence of the ratio of humidity:subzero dehulling temperature on the qualitative composition of rushanka and indicators of oilseeds dehulling quality was revealed. Possibilities of solving at the stage of dehulling a number of other problems are shown: reduction by 2.3 – 2.8 times in the outputs (in composition of rushanka) of oil dust, chaffed and intact kernel (kernel with a spout) and others. Scientifically substantiated and determined are rational conditions for dehulling of sunflower seeds of modern selection and safflower of domestic varieties at subzero temperatures. Rational (it is also maximum) degree of dehulling of dry sunflower seeds is 0,99 and is achieved at a dehulling temperature of -30...-50 °C and seed dehulling machine rotor frequency of 26,7 s-1. Maximum yield and maximum preservation of the whole kernel are achieved at a temperature of -30...- 50 °C, a seed moisture of 6,0 % and a minimum rotational seed dehulling machine rotor frequency of 20,0 s-1. Organoleptic properties, fatty acid and acylglycerol composition, composition of sterol fraction of obtained oils were determined. The possibility of obtaining high-quality oil on screw presses from a raw huskless kernel without its preliminary crushing and moisture-heat treatment has been proven. Effective parameters of pressing process have been determined: value of required load, size of the gaps between grain plates. Technology of complex processing of sunflower oilcake from a husk-free kernel has been scientifically substantiated and developed, as a result of which it is possible to obtain: extraction oil, meal (or flour) and a plant antioxidant. It has been shown that these products can be obtained by treating oilcake of huskless sunflower seed kernel in a cavitation unit with a food solvent (ethyl alcohol) or a mixture of solvents (hexane:ethyl alcohol). Effective parameters of the process were calculated (temperature 60°С, duration – 20 minutes). It was found that in order to achieve a higher degree of extraction of oil (up to 95 %) and chlorogenic acid (up to 97 %) from oilcake, it is advisable to use a two-stage extraction method. Structural diagrams of main technological stages of innovative technology of sunflower seeds processing have been developed. The developed technology is universal for processing seeds and other fruits with have a sufficiently plastic kernel and a fragile shell. On the basis of theoretical and experimental data of the chemical composition, microstructure, aggregation state and rheological properties of morphological parts and individual structural elements of seeds, regularities have been revealed that show a complex mechanism of action of the basic and effective plastic-strength seeds properties of different degrees of moisture, dehulling conditions (low-temperature, dynamic and orientation factors) on the degree of seed dehulling and preservation of the whole kernel. The economic feasibility of the proposed technology is confirmed by calculations. Due to the reduction of several technological operations, technical and economic effect of using the proposed technology is to reduce material and energy costs. Feasibility of using such a waste-free technology is confirmed by an increase in the profitability of enterprises, since it allows you to simultaneously receive three food products. Environmental safety of production is based on partial replacement of petroleum solvent with food grade ethyl alcohol. In the case of environmentally friendly raw materials processing and absence of factors that reduce environmental safety in this innovative technology, it can be assumed that the produced food products correspond to the quality of organic ones. In the dissertation work, for the first time, influence of orientation factors (impact of seed on dehuller deck with a sharp, blunt or accidentally oriented end) on the dehulling process of fine fraction (3.2 – 3.4 mm) of sunflower seeds has been determined. A theoretical regularity has been created that connects current ideas about chemical composition, structure and plastic-strength properties of morphological components of the high-oleaginous sunflower seeds with dehulling coefficient and degree of the whole kernel preservation. Revealed regularity expands existing ideas about the possibilities of controlling processes of low-temperature dehulling, is the scientific justification for making technological decisions. Concept of the critical ratio between effective plastic and effective strength properties of seed and its parts is introduced, witch explains extreme (with a maximum) low-temperature dependence of the whole kernel conservation coefficient, and also makes it possible to determine position of the maximum on temperature scale of dehulling. Rheological nature of sunflower oil in seed kernel in temperature range of +20...-196°C was revealed, which explains change in elastic-plastic properties of the fruit shell of seeds during dehulling. New scientific data have been obtained on the effect of pressure and temperature of pressing a raw, husk-free kernel obtained by dehulling high-oil sunflower seeds at sub-zero temperatures on the efficiency of oil extraction. New scientific data on the structural indicators, organoleptic properties of sunflower and safflower oils obtained from the raw hull-free kernel by cold pressing, as well as extraction sunflower oil, a protein product and an antioxidant, isolated from food oilcake, have been obtained. In the dissertation work, theoretical regularities of oilseeds dehulling under subzero temperatures were further developed. The practical significance of dissertation work results for oil and fat industry lies in the creation of a fundamentally new resource-saving environmentally friendly technology for processing sunflower seeds of modern selection and safflower of domestic varieties, which provides for dehulling of pre-cooled seeds (in the range of -20...-50°C) to obtain a husk-free sunflower kernel and a high dehulling safflower kernel fraction sufficient to produce a cold pressed edible oil. Thus, the improvement of existing technologies for industrial processing of sunflower and safflower seeds and creation of new technologies and equipment for production of food protein products will increase the integrated use of domestic raw materials and increase resources of food protein in Ukraine. Results of dissertation work were tested at enterprises of oil and fat and related industries, in particular at the enterprise «Fadeev Agro Plant» in development of initial data for the design of new dehullers for sunflower seeds of modern hybrids and lines; at NV LLC Institute «TEKMASH». Results of research of L. I. Perevalov dissertation work carried out in the period 2015 – 2017, are used in scientific developments of V. Ya. Yuriev Institute of Plant Industry of the NAS Ukraine (Kharkov). For enterprises of oil and fat industry, practical recommendations on the introduction of innovative technologies have been developed and agreed with the UkrNDIOZH NAAS of Ukraine (Kharkov). Results of scientific research are introduced into educational process of department of technology of fats and fermentation products of NTU «KhPI» when teaching disciplines «Engineering design of technologies», in course and diploma design (in the mode of active teaching methods). Main provisions of dissertation work were obtained by the applicant independently. Among them: planning experiments, performing theoretical and experimental part of the work, measuring the objects under study, interpreting of obtained results and their statistical processing; formulation of dissertation conclusions; development of regulatory documents; implementation of obtained results in production and educational process. The setting of research goals and objectives, discussion and analysis of obtained results were carried out in cooperation with a scientific consultant. Main results of dissertation work were published in 38 scientific works, including: 15 articles in scientific publications of Ukraine, 4 articles in foreign scientific periodicals, 1 patent of Ukraine, 3 – in a branch publication of Ukraine; 15 – in conference proceedings.