Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка ресурсосберегающих технологий производства эмульгаторов, а также эмульгирующих систем для пищевой и непищевой промышленности на основе растительного сырья и продуктов его переработки

Номер контракта: 14.577.21.0182

Руководитель: Шихалиев Хидмет Сафарович

Должность: Зав. кафедрой органической химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Воронежский госуарственный университет"

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
эмульгатор, пищевая добавка, моноглицериды, эфиры сорбитана, реакция переэтерификации, реакция этерификации, поверхностно-активное вещество, эфиры глицерина и жирных кислот, обратная эмульсия, прямая эмульсия, липазы, биокаталитические процессы

Цель проекта:
1. Междисциплинарный характер проекта предполагает решение задач по проведению комплексных исследований как в области органической химии (разработка методов синтеза эмульгаторов), так и в области аналитической химии (изучение эмульгирующего действия полученных соединений при применении в пищевой и непищевой (косметической) промышленности). В результате выполнения ПНИЭР будут разработаны научно-технические основы получения и проведена оценка коммерческой реализуемости новых эффективных эмульгаторов и эмульгирующих систем. Для разработки высокоэффективной энергосберегающей технологии производства широкого спектра эмульгаторов на основе растительных масел и отходов их переработки, а также эмульгирующих систем планируются решение следующих задач: 1) На основе анализа научно-технической литературы произвести выбор наиболее эффективных эмульгаторов, которые можно получать на основе растительного сырья; 2) Разработать технологические процессы получения индивидуальных эмульгаторов на основе различных растительных масел и выбрать наиболее эффективные, в том числе: - высококонцентрированных моноглицеридов. исключая стадию молекулярной дистилляции, по основным характеристикам не уступающим мировым аналогам. - широкого спектра ацилсобританов на натуральной основе, представляющих собой смесь производных жирных кислот растительного происхождения (подсолнечного, соевого и пальмового масел), включающих в том числе эфиры линолевой, олеиновой и пальмитиновой кислот. 3) Разработать высокоэффективные составы эмульгирующих систем широкого спектра применения. 2. Цель проекта: создание новых высокоэффективных ресурсосберегающих технологий производства эмульгаторов на основе возобновляемых природных ресурсов, с использованием в том числе биокатализаторов, не имеющих аналогов на территории РФ, позволяющих решить проблему импортозамещения в данной отрасли.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИЭР должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИЭР, содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других мате-риалов относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований и необходимости проведения ПНИЭР;
в) результаты и анализ теоретических и экспериментальных исследований;
г) обобщение и выводы по результатам ПНИЭР.
2 Отчеты о патентных исследованиях, оформленные в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3 Лабораторные методики синтеза эмульгаторов, в том числе содержащих гетероциклические фрагменты, на основе индивидуальных жирных кислот и модельных смесей жирных кислот
4 Лабораторные методики синтеза эмульгаторов на основе растительных масел и отходов их переработки
5 Лабораторные методики синтеза эмульгаторов на основе растительных масел с применением биокатализа.
6 Прототипы технических решений по реализации результатов теоретических исследований.
7 Программа и методики экспериментальных исследований экспериментальных образцов эмульгаторов с применением ГХ-МС анализа, ИК-спектроскопии и других физико-химических методов.
8 Экспериментальные образцы эмульгаторов, полученные из жирных кислот и их модельных смесей, из растительных масел и отходов их переработки.
9 Экспериментальные образцы эмульгаторов, полученные из растительных масел с применением биокатализа.
10 Лабораторный регламент получения эмульгаторов на основе растительных масел.
11 Лабораторный регламент получения эмульгаторов на основе отходов переработки растительных масел.
12 Лабораторный регламент получения эмульгирующих систем.
13 Лабораторный регламент получения эмульгаторов с применением биокатализа.
14 Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов эмульгаторов.
15 Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов эмульгирующих систем.
16 Экспериментальные образцы эмульгаторов, полученные из растительных масел и отходов их переработки для проведения исследовательских испытаний.
17 Экспериментальные образцы эмульгирующих систем для проведения исследовательских испытаний.
18 Проект ТЗ на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии производства эмульгирующих композиций на основе эмульгаторов - продуктов переработки растительных масел».

Разработанные в ходе исследования эмульгаторы на основе растительных масел и отходов их переработки должны соответствовать следующим требованиям:

1. по органолептическим показателям
1.1 внешний вид (однородная масса без механических примесей, ГОСТ 32770-2014);
1.2 цветность (соответствие контрольному образцу, допускается наличие оттенков (по йодной шкале), ГОСТ 5477-93, ГОСТ 5472-50);
1.3 запах (без посторонних запахов, ГОСТ 5472-50);
2. по физико-химическим показателям
2.1 жирнокислотный состав (С6-С24, ГОСТ 30480-96);
2.2 массовая доля свободного глицерина (не более 7%, ГОСТ Р ЕН 14106-2009);
2.3 массовая доля основного вещества (не менее 70%, внутренняя методика);
2.4 массовая доля воды (не более 20,0 %, ГОСТ 11812-66, ГОСТ 14870-77, ГОСТ Р 52179-2003);
2.5 кислотное число (не более 15,0 мг КОН/г, ГОСТ Р 52110-2003);
2.6 число омыления (130-300 мг КОН/ г, ГОСТ 5478-90);
2.7 концентрация ионов водорода (4-8, ГОСТ 22567.5-93)
2.8 температура плавления, оС (в зависимости от типа эмульгатора, внутренняя методика);
2.9 йодное число, 1г I2/100г (в зависимости от типа эмульгатора, ГОСТ Р ИСО 3961-2010);
2.10 эмульгирующая способность (должен выдерживать испытания, внутренняя методика).

Разработанные в ходе исследования эмульгирующие системы должны соответствовать следующим требованиям:
1 по органолептическим показателям;
1.1 внешний вид (однородная масса без механических примесей, ГОСТ 32770-2014);
1.2 цветность (соответствие контрольному образцу, допускается наличие оттенков (по йодной шкале) ГОСТ 5477-93, ГОСТ 5472-50);
1.3 запах (без посторонних запахов, ГОСТ 5472-50);
2 по физико-химическим показателям
2.1 жирнокислотный состав (С6-С24, ГОСТ 30480-96);
2.2 массовая доля свободного глицерина (не более 7 %, ГОСТ Р ЕН 14106-2009);
2.3 массовая доля основного вещества (не менее 70 %, Внутренняя методика);
2.4 массовая доля воды (не более 20,0 %, ГОСТ 11812-66, ГОСТ 14870-77, ГОСТ Р 52179-2003);
2.5 кислотное число (не более 15,0 мг КОН/г, ГОСТ Р 52110-2003);
2.6 число омыления (130-300 мг КОН/ г, ГОСТ 5478-90);
2.7 концентрация ионов водорода (4-8 ГОСТ 22567.5-93);
2.8 температура плавления (в зависимости от типа эмульгатора, внутренняя методика);
2.9 йодное число, 1г I2/100г (в зависимости от типа эмульгатора, ГОСТ Р ИСО 3961-2010);
2.10 эмульгирующая способность (должен выдерживать испытания, внутренняя методика).

Разработанные в ходе исследования новые эмульгирующие системы на основе производных растительных масел и добавок других нетоксичных и доступных эмульгаторов должны превосходить по эффективности индивидуальные эмульгаторы не менее чем на 15 процентов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Реализация проекта позволяет:
- внедрять безотходные технологии переработки возобновляемых ресурсов – растительных масел, в высокотехнологичные продукты – эмульгаторы и эмульгирующие системы для пищевого и непищевого использования, не имеющих аналогов на Российском рынке;
-снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду за счет переработки отходов масложировых производств, утилизация которых в настоящий момент сопряжена с негативными воздействиями на окружающую среду. Так модификация жирных кислот (многотоннажного отхода масложировых производств) позволит получать новые классы синтетических эмульгаторов на натуральной основе.
Разрабатываемые в процессе реализации проекта продукция и технологии не имеют аналогов в России, соответственно реализация проекта позволит частично решить проблему импортозамещения в сфере производства пищевых эмульгаторов. При этом предполагается получать эмульгаторы по характеристикам не уступающие мировым аналогам. Уникальные свойства эмульгирующих систем будут, в том числе, обусловлены особенностями жирно-кислотного состава подсолнечного и соевого масел. Наличие кратных связей позволяет реализовать еще один путь химической модификации уже известных эмульгаторов за счет реакций, затрагивающих ненасыщенные углерод-углеродные связи, что в свою очередь позволяет добиваться новых уникальных свойств. Введение в молекулу гетероциклических фрагментов, в том числе в результате реакций нуклеофильного присоединения по кратным связям, открывает неограниченные возможности в получении эмульгаторов, не имеющих мировых аналогов.
Реализация разрабатываемых технологий:
- позволяет получать широкий спектр эмульгаторов высокого качества с заданными свойствами за счет варьирования жирно-кислотным составом;
- приводит к возможности замещения аналогичных по свойствам импортных товаров;
- приводит к снижению негативных антропогенных воздействий на окружающую среду за счет дополнительных возможностей утилизации отходов, их реализации.
Конкурентное преимущество продукции обеспечивает и собственный источник дешевого сырья - жиросодержащих отходов с производственных площадок ОАО «ЭФКО» (г.Алексеевка, Белгородская обл.), которые в общей сложности составляют до 1466 т/мес. В их числе жирные кислоты 35,6% (350 т/мес), соапсток 54,8% (986 т/мес), жировая смесь 7,2% (130 т/мес). В рамках комплексной программы повышения экологической эффективности производства, проводимой компанией, планируется строительство завода по производству эмульгаторов.
Ведущими тенденциями развития мировой промышленности, в том числе получения эмульгаторов являются:
- повышение требований безопасности процессов производства,
- снижение энергоемкости процессов,
- увеличение глубины переработки сырья,
- увеличение количества узкоспециализированных продуктов,
- интерес к экологически безопасным (природным) объектам,
- переход к концентрированным, компактным формам препаратов.
Данный проект разработан в русле указанных направлений. Особенностью разрабатываемых технологий является их безопасность для человека, это обусловлено использованием экологически чистого, негенномодифицированного сырья, в отличие от импортных аналогов, которые часто получают из генномодифицированной сои. Эмульгаторы, разрабатываемые в рамках реализации проекта являются структурными аналогами природных соединений, что позволяет использовать их как в непищевой, так и в пищевой промышленности.
Для достижения заявленных результатов планируется получать продукцию, конкурентноспособность которой может быть обеспечена более низкой себестоимостью в сравнении с импортными и российскими аналогами за счет использования собственного сырья (подсолнечного, соевого и пальмового масел) и отходов масложировых производств, а также новой усовершенствованной технологией их производства, позволяющей исключать энергоемкие стадии. Особенности химического строения жирных кислот подсолнечного, соевого и пальмового масел, использование гидрированных аналогов, позволят получать эмульгаторы с широким интервалом значений йодного числа и, соответственно, различными технико-функциональными свойствами. Предполагается разработка методов синтетического модифицирования кратных связей ненасыщенных жирных кислот в моно- и диглицеридах с целью получения новых классов непищевых эмульгаторов с широким спектром практического применения. Разрабатываемые технологические процессы являются легко масштабируемыми, гибкими, позволяют получать линейку продуктов за счет изменения композиционного состава. Устойчивый рост объемов потребления натуральных эмульгаторов, приводящий к росту импорта этих пищевых добавок, свидетельствует о целесообразности создания отечественного производства эмульгаторов на натуральной основе. Соответственно, предлагаемые технологии производства эмульгаторов и эмульгирующих систем являются актуальными и востребованными. Емкость рынка эмульгаторов в России является достаточной, чтобы в короткие сроки обеспечить высокие объемы производства и реализации продукции.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Благодаря многообразию функциональных свойств, разрабатываемые эмульгаторы могут использоваться практически во всех отраслях пищевой промышленности:
• производство мучных, сахаристых и шоколадных кондитерских изделий. При их производстве повышается стабильность качества продукции при хранении, увеличивается срок сохранения свежести за счет замедления процессов разрушения крахмала в мучных изделиях. В производстве шоколада, шоколадных глазурей и т.п. добавка эмульгатора снижает вязкость шоколадных масс, улучшает их текучесть за счёт влияния на кристаллизацию какао-масла.
• хлебопекарное и макаронное производство. Взаимодействие эмульгаторов с белками муки укрепляет клейковину, что при производстве хлебобулочных изделий приводит к увеличению удельного объёма, улучшению пористости, структуры мякиша, замедлению черствения.
• производство маргариновой продукции и спредов. Применение эмульгаторов оказывает влияние на процесс кристаллизации жира определяет срок годности, разбрызгиваемость при нагревании, позволяет сократить количество жира в рецептуре, улучшает его взбиваемость .
• производство мороженого. Эмульгаторы обеспечивают максимальное насыщение воздухом и равномерность распределения компонентов в массе, влияют на процессы кристаллизации жиров.
• мясоперерабатывающая промышленность. Эмульгаторы участвуют в процессах формирования структуры продукции
эмульгаторы выполняют и другие функции, их применяют для равномерного распределения нерастворимых в воде ароматизаторов, эфирных масел, экстрактов пряностей в напитках и пищевых продуктах.
В рамках комплексной программы повышения экологической эффективности производства, проводимой компанией ЭФКО, планируется строительство завода по производству эмульгаторов с использованием технологий, разработанных в ходе выполнения проекта. Реализация технологических процессов положительно отражается на экологии, так как производство является безотходным, более того позволяет перерабатывать некондиционное растительное масло, а также отходы масложирового производства.
Представление результатов, полученных в ходе реализации проекта на всероссийских и международных выставках и конференциях, положительно отразится на развитии системы демонстрации и популяризации науки, позволит расширить сферы международного сотрудничества.

Текущие результаты проекта:
Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, по технологиям производства эмульгаторов и эмульгирующих систем на натуральной основе, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ-ЭР, а так же патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96 по методам синтеза эмульгаторов на натуральной основе, в том числе с применением биокаталитических технологий.
Выбраны направления исследований, в том числе:
- разработана методология создания эмульгаторов на основе растительных масел и отходов их переработки;
- разработаны методы синтеза эмульгаторов на основе растительных масел и отходов их переработки;
- проведена сравнительная оценка эффективности применения различных классов эмульгаторов на основе растительных масел и отходов их переработки при их применении в пищевой и непищевой промышленности;
- обоснован выбор перспективных классов эмульгаторов на основе растительных масел и отходов их переработки, включая соединения, содержащие гетероциклические фрагменты.