Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технология ароматизаторов из некоторых представителей пряно-ароматических растений Сибири

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Губаненко, Галина Александровна, Красноярск

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Сибирский государственный технологический университет

На правах рукописи

ГУБАНЕНКО Галина Александровна

ТЕХНОЛОГИЯ АРОМАТИЗАТОРОВ ИЗ НЕКОТОРЫХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ ПРЯНО-АРОМАТИЧЕСКИХ РАСТЕНИЙ СИБИРИ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование

природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д. х. н., профессор Репях С.М. д.х.н., профессор Рубчевская Л.П.

Красноярск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

I Литературный обзор 6

1.1 Пищевые растительные ароматизаторы, их химический состав 6

1.2 Растительное сырье для производства ароматизаторов 10

1.2.1 Ароматические вещества рода Artemisia L. 11

1.2.2 Ароматические вещества рода Thymus L. 17

1.3 Промышленные способы получения ароматизаторов 21

1.4 Методы исследования ароматизаторов 27 Выводы по главе 1 30

II Методическая часть 31

2.1 Обоснование выбора растительного сырья для производства 31 ароматизаторов

2.2 Методика отбора проб растительного сырья 32

2.3 Методики исследования химического состава сырья 33

2.4 Обоснование выбора схемы промышленной переработки 36 растительного сырья

2.5 Методики исследования химического состава экстрактов 39

2.5.1 Методики исследования химического состава 39 углекислотных экстрактов

2.5.2 Методики исследования химического состава 42 этанольных экстрактов

2.6 Утилизация послеэкстракционных остатков 43

2.7 Конструкция и принцип действия полупромышленной 45 установки для экстракции сжиженной углекислотой

2.8 Конструкция и принцип действия установки для 48 экстракции органическим растворителем

Выводы по главе 2 52

III Результаты опытов и их обсуждение

3.1 Химический состав вегетативной части полыни Сиверса 53

3.2 Экстрагирование полыни Сиверса 67

3.2.1 Экстракция вегетативной части полыни Сиверса сжиженной 68 углекислотой

3.2.2 Оптимизация процесса экстракции сжиженной углекислотой 78

3.2.3 Экстракция вегетативной части полыни Сиверса этиловым 97 спиртом

3.2.4 Оптимизация процесса экстракции этиловым спиртом 101

3.3 Утилизация послеэкстракционного остатка полыни Сиверса 106 микробиологическим методом

3.4 Химический состав вегетативной части тимьяна ползучего 109

3.5 Экстрагирование тимьяна ползучего - 113

3.5.1 Экстракция вегетативной части тимьяна ползучего сжиженной 113 углекислотой

3.5.2 Экстракция вегетативной части тимьяна ползучего этиловым 119 спиртом

Выводы по главе 3 121

4.0 Технологическая часть 123

4.1 Принципиальная технологическая схема получения натуральных 123 ароматизаторов из пряно-ароматических растений

4.2 Технико-экономические показатели комплексной переработки 127 вегетативной части пряно - ароматического растительного сырья

Выводы 130

Литература 131

Приложение I 155

Приложение II 168

Приложение III 185

Приложение IV 206

Введение

В настоящее время в условиях перехода к рыночным отношениям для предприятий пищевой промышленности особенно важно достичь высокую эффективность производства. Это позволит обеспечить конкурентоспособность отечественной продукции в борьбе с зарубежными поставщиками продуктов питания за рынки сбыта и одновременно снизить себестоимость отечественной продукции. Сегодня конкурентоспособность пищевой продукции обусловлена ее высоким качеством, широким ассортиментом и экологической чистотой. Для выполнения этих требований необходимо применение натуральных пищевых биологически активных добавок. Для их создания приоритетным является растительное сырье. Флора Сибири характеризуется огромными запасами пряно-ароматического дикорастущего растительного сырья. Вовлечение растений Сибирского региона для производства натуральных вкусо-ароматических добавок для пищевой продукции позволит значительно расширить сырьевую базу предприятий пищевой промышленности России и, главное, практически полностью отказаться от импортного синтетического сырья.

В этой связи разработка возможных направлений использования дикорастущих растений Сибири при производстве пищевой продукции является в научных исследованиях актуальной проблемой.

Экономическая эффективность переработки растительного сырья определяется степенью его использования. Поэтому применение биологически активных веществ пряно-ароматического сырья Сибири имеет другой важный аспект, связанный с рациональным использованием природных растительных ресурсов. Последнее предполагает его комплексную переработку.

В качестве объектов исследования взяты сибирские представители пряно-ароматических растений рода Artemisia L. и Thymus L. Их выбор не был случайным, так как они являются перспективными источниками вкусо-ароматических и биологически активных веществ, широко распространены на территории Сибири и имеют возможность промышленной заготовки.

Их использование в пищевой промышленности позволит увеличить ассортимент продукции, улучшить ее качество и повысить пищевую ценность за счет обогащения продуктов питания биологически активными и вкусо-ароматическими веществами. С этих позиций выбранные растения являются весьма перспективными.

Учитывая, что большинство работ по исследованию химического состава пряно-ароматического сырья ограничиваются в основном изучением эфирных масел, в настоящей работе наряду с этим более подробно изучены содержание и состав основных компонентов вегетативной части сибирских растений. Принимая во внимание то, что синтез ароматических компонентов в растениях происходит на протяжении всего вегетационного периода, в задачу проводимых исследований входило изучение динамики их содержания и состава вегетативной части растения в ходе онтогенеза. Эти данные важны для разработки рекомендаций по заготовке растительного сырья с целью его дальнейшей переработки.

Изучение состава ароматических веществ дикорастущих растений имеет другой важный аспект, связанный с промышленной переработкой растительного сырья. Слабая изученность их химического состава сдерживает разработку наукоемких технологий. На современном этапе развития науки и техники предусматривается широкое внедрение прогрессивных технологий, одной из которых является комплексная переработка всей биомассы растения. В этой связи в настоящей работе были решены и вопросы, касающиеся экстрагирования выбранного сырья, с целью разработки комплексной технологии его переработки и получения пищевых натуральных ароматизаторов.

Все это в конечном итоге внесет вклад в решение общей проблемы, касающейся рационального использования растительного сырья.

Решению названных задач посвящена настоящая работа.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Пищевые растительные ароматизаторы, их химический состав В пищевой технологии ведущих стран мира в настоящее время наметилось резкое возрастание спроса потребителей на разнообразные по вкусу и аромату пищевые продукты [1-6]. Удовлетворение этих потребностей может быть достигнуто за счет расширения гаммы пищевых ароматических веществ и использовании их в производстве продуктов питания. В международной практике все пищевые ароматизаторы принято подразделять на натуральные, идентичные натуральным и искусственные [1,7]. Особый интерес представляют натуральные ароматизаторы, которые в виде экстрактов, настоев и эфирных масел из растительного сырья находят сегодня широкое применение в производстве кондитерских изделий, безалкогольных и алкогольных напитков, в масложировой промышленности, пищеконцентратной промышленности и т.д. Общие вопросы, касающиеся использования натуральных ароматизаторов, изложены в работах [8-41].

Пищевым растительным ароматизаторам посвящен ряд обзоров [1, 12, 30, 42-48]. Химический состав большинства натуральных ароматизаторов пряно-ароматических растений показан в [49-58].

Пищевой ароматизатор является смесью 30 - 50, а иногда более 100 согласованных между собой индивидуальных компонентов. Часто в этой смеси преобладает один или несколько основных соединений. Например, в розовом масле обнаружено более 200 компонентов, однако 50% массы масла составляет 2-фенилэтанол и 35% - цитронеллол; в мятном масле - более 100 компонентов, основными из которых (90% массы) являются ментол, метилацетат и цинеол; анисовое масло на 90% состоит из анетола [1, 44, 50, 59].

Растительные ароматические вещества относятся к различным классам соединений и подразделяются на летучие и нелетучие компоненты. Наиболее ценными из них, обуславливающими запах, являются летучие вещества -эфирные масла. Эфирные масла представляют собой многокомпонентные смеси летучих органических соединений, разнообразных по химическому

строению и физическим свойствам. Среди них встречаются углеводороды, спирты, кетоны, альдегиды, фенолы, лактоны, кислоты, простые и сложные эфиры и другие [44, 50]. Наиболее характерными компонентами эфирных масел являются моно - и сесквитерпены. Свободные углеводороды или вовсе не имеют запаха или же запах их, за немногими исключениями, снижает достоинство эфирного масла в целом, поэтому иногда его искусственно освобождают от таких соединений. Органолептическая оценка эфирных масел определяется их химическим составом. •

Согласно [1, 10] вещества, входящие в состав эфирного масла, классифицируются как:

- углеводороды общей формулы (С5 Н8) - терпены;

- насыщенные кислородом производные этих углеводородов;

- кислородосодержащие соединения;

- ароматические соединения, имеющие бензоидную структуру;

- соединения, содержащие азот и серу.

Терпены в некоторых растениях составляют более 50 % от всех летучих компонентов. Так, например, в эфирном масле тмина и кардамона содержится 40-55 % терпенов, основными из них являются лимонен, а-пинен; в эфирном масле сельдерея - 50-80 % терпенов, преобладают а-лимонен и селинен; в летучей фракции розмарина содержатся 85-90 % терпенов, а наиболее характерными являются а- и (3- пинены, камфен; в эфирном масле тимьяна ползучего 60-80 % терпенов содержат преимущественно у-терпинен, камфен и (3-пинен; в летучей фракции имбиря - 90 % терпенов, из них преобладают цингиберен и (3-пинен [60].

Терпеноиды, насыщенные кислородом, представлены монотерпеновыми спиртами - борнеолом, для него характерен камфарный запах, запах карвеола -характерен тмину, карвакролу- запах фенольный или тимьяна, гераниолу -запах подобен цветам розы, линалоолу - подобен цветам ландыша, ментолу -мяты, терпинеолу - запах цветов сирени; сесквитерпеновому спирту -цингеберолу - запах подобен имбирю; монотерпеновыми альдегидами -

цитронеллаль - лимонный, цитраль - лимонный; монотерпеновые лактоны: карвон - запах подобен мяте, фенхон - камфорный запах, туйон - запах характерен шалфею.

Связь между строением молекул органических веществ и их ароматом до настоящего времени выяснена неполностью, однако установлен целый ряд соответствующих признаков, характеризующих ее [61, 62]. Так, влияние на запах, его усиление, оказывает разветвление углеродной цепи, наличие в молекуле вещества функциональных групп - карбинольной, карбонильной и сложноэфирной. Значительное влияние на запах оказывает ненасыщенность соединения, т.е. наличие двойных и тройных связей.

Соединения одинакового строения не всегда имеют сходный запах. Например, близкие по структуре а- и (3-метилгидрокоричные альдегиды обладают различным запахом. В то же время вещества различного строения иногда имеют сходный запах (запах лимона - цитраль и лимонен, запах роз -гераниол и |3-фенилэтанол). Низшие алифатические спирты с числом атомов углерода до 7 не обладают приятными запахами, с увеличением числа атомов углерода до 12 появляется запах, который отсутствует у спиртов с числом атомов углерода более 12. Запах спиртов изостроения более приятен, чем нормальных спиртов. Ациклические спирты терпенового ряда (гераниол, нерол, цитронеллол) имеют более ценный запах, чем третичный спирт этого ряда (линалоол). Моноциклические терпеновые спирты обладают более сильным запахом, чем ациклические. Бутиловые и амиловые спирты и их изомеры обладают неприятным, резким сивушным запахом, а спирты с более длинной цепью - гексиловый, гептиловый, октиловый, нониловый и дециловый - при сильном разведении имеют запах, приближающийся к аромату мандариновых и апельсиновых корок, роз [63].

Ароматические спирты с гидроксильной группой в боковой цепи отличаются более приятным ароматом, чем алифатические [64].

Эфирная связь усиливает фруктовый аромат. Простые эфиры алифатических спиртов обладают запахом более слабым, чем эти спирты, но с

увеличением молекулярной массы интенсивность запаха также увеличивается. Эфиры, образованные с участием фенольных кислот, пахнут интенсивнее, чем эфиры, образованные с участием алифатических кислот [63].

К бициклическим терпенам относится ряд часто встречающихся соединений: а и Р-пинены, камфен, карен и др. Камфен содержится в небольших количествах в скипидаре, кипарисовом, лавандовом, лимонном, фенхельном, валериановом эфирных маслах [64].

Мирцен, главным образом в виде (3-формы, встречается в ряде эфирных масел: багульника, хмеля, плодов амурского и японского бархатного дерева, скипидаре. [64].

Лимонен широко распространен в природе, в эфирных маслах (апельсиновом, тминном, лимонном и др.) [1, 5, 64, 65].

Аромат растений прямо зависит от количества содержащегося в них летучего масла [63, 64]. При нагревании эфирные масла улетучиваются обычно без остатка, однако небольшое количество смолистых веществ допускается, так как при хранении неизбежно окисляются содержащиеся в эфирном масле спирты (линалоол, гераниол, цитронеллол, терпинеолы, ментол, борнеол), фенолы (тимол, карвакрол, анетол, эвгенол), а особенно - непредельные соединения и альдегиды (цитраль, цитронеллаль, бензальдегид, ванилин), давая труднолетучие, а при дальнейших превращениях (полимеризации) - и смолистые соединения.

Натуральные ароматизаторы, полученные из растительного сырья, содержат не только комплекс ароматических компонентов, но и ценные вещества, обладающие антиоксидантными и биологически активными свойствами. Эти компоненты, как правило, составляют нелетучую часть ароматизаторов. Иногда они являются и фиксаторами запахов.

Такие свойства растительных экстрактов, обусловлены наличием жирорастворимых витаминов Е, А, стеринов, фенольных соединений и других групп веществ [66-68]. По данным многих отечественных и зарубежных авторов растительные экстракты можно эффективно использовать в пищевых

продуктах в качестве ингибиторов окислительных и гидролитических процессов и источников БАВ [69-84].

Наличие в пищевых ароматизаторах природных антиоксидантов и БАВ позволяет не только формировать вкусо-ароматические характеристики пищевых продуктов, но и повышать их пищевую ценность, кроме того, увеличивать сроки хранения.

1.2 Растительное сырье для производства ароматизаторов

В настоящее время для производства ароматизаторов в качестве растительного сырья применяются различные виды растений. Наиболее перспективным источником вкусо-ароматических веществ являются дикорастущие и культивируемые пряно-ароматические растения [85, 86]. Как правило большинство из них относится к эфиромасличным видам.

Эфиромасличная флора насчитывает около 3000 видов растений, из них в нашей стране произрастает около 1 ООО, однако промышленное значение до сих пор имеют всего лишь 150-200 видов. Большинство эфирных масел получают из тропических или субтропических растений и лишь немногие (кориандр, анис, мята) культивируют в более умеренных широтах. Особенно богаты эфирными маслами многочисленные виды семейства губоцветных и сложноцветных [5, 60].

Все пряно-ароматические растения делятся на две большие группы: классические (экзотические) и местные.

Классические пряно-ароматические растения - это растения, применяемые с глубокой древности, получившие всемирное распространение и ставшие классическими для подавляющегося большинства национальных кухонь, как западных, так и восточных. К ним относятся: асафетида ( Ferula assa - foetida ), бадьян (Anisum stellatum ), ваниль ( Vanilla ), гвоздика ( Caryophyllus aromaticus L ) , имбирь (Zingiber officinale), кардамон (Elettaria

cardamomum), корица (Cirinamomeem ), и другие. Характеристика классических пряно-ароматических растений подробно приведена в работах [60, 87].

Местные пряные растения - это растения в большинстве своем имеющие исторически и географически гораздо меньший диапазон применения, либо произрастающие и употребляемые исключительно на месте, т.е. вблизи места производства.

Местные российские пряно-ароматические растения насчитывают более тысячи видов. Лишь немногие из них находят применение в отечественной промышленности. Между тем, на современном этапе развития рыночных отношений в России, особенно остро возникла проблема использования местных видов пряно-ароматического сырья для производства п