Исследование кинетики процесса экстрагирования растворимых веществ из плодов рябины

ПИЩЕВАЯ И ПЕРЕРАБА ТЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

УДК 664.1

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ РАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ПЛОДОВ РЯБИНЫ

Е.В.Мищенко, В.Я.Мищенко

Проведены экспериментальные исследования процесса экстрагирования растворимых веществ из плодов рябины обыкновенной при различных внешних воздействиях. Выявлены основные факторы, влияющие на выход экстрактивных веществ, и определены характеристики полученных экстрактов.

Ключевые слова: экстрагирование, экстракт, вибрационное воздействие, ультразвук, показатель преломления.

Использование местного плодово-ягодного сырья является актуальной задачей для пищевой и перерабатывающей промышленности. Центральный и Центрально-Черноземный районы обладают широкой сырьевой базой плодов и ягод, однако их промышленная переработка в необходимых объемах в настоящее время не осуществляется. Основные причины этого - несовершенство технологии, недостаточная изученность свойств сырья и готовой продукции и др. Одним из наиболее перспективных способов использования плодово-ягодного сырья в пищевой промышленности является его экстрагирование, которые достаточно удобно использовать при производстве не только пищевых продуктов. К такой группе плодово-ягодного сырья относятся плоды рябины обыкновенной, которые являются природной кладовой биологически активных веществ (БАВ) и являются официальным лекарственным сырьем [1]. Рябина обыкновенная используется при производстве и получении полуфабрикатов для изготовления настоек и морсов в пищевой промышленности, в косметологии как добавка в кремы, шампуни, а также в фармацевтике как составная часть поливитаминных препаратов.

Целью данной работы было проведение процесса экстрагирования растворимых веществ из плодов рябины обыкновенной, выявление факто-

ров, влияющих на это процесс и анализ технологических характеристик полученных экстрактов.

Проведенные ранее исследования [3-5] показали, что процесс экстрагирования существенно интенсифицируется за счет внешнего, например, вибрационного или ультразвукового, воздействия на обрабатываемую среду.

Объектом исследования являлись образцы плодов рябины обыкновенной Sorbus aucuparia L., собранные в Орловской области в осенний период после первых заморозков (для удаления горечей) и предварительно высушенные.

Экспериментальные исследования процесса экстрагирования осуществляли в Центре коллективного пользования "Орловский региональный биотехнологический центр сельскохозяйственных растений" (г. Орел, ФГБОУ ВПО Орел ГАУ).

Процесс экстрагирования растительного материала зависит от следующих факторов [2] :

- величины движущей силы процесса;

- скорости каждой из стадий процесса;

- степени измельчения растительного сырья;

- вида слоя частиц, который они образуют;

- соотношения твердой и жидкой фаз;

- характера относительного движения твердых частиц и экстрагента;

- температуры процесса;

- времени (продолжительности) экстрагирования.

Подготовка сырья к экстрагированию включала измельчение на лабораторной мельнице ЛЗМ и разделение на фракции с помощью сит из ме-таллотканой сетки № 0,2; 1 и 2. Для исследования были взяты две фракции: мелкая фракция с размером частиц 0,2-1 мм и крупная фракция с размером частиц 1-2 мм. Экстрагентом являлась дистиллированная вода. Для экстрагирования было взято соотношение сырье: экстрагент 1:5 (по массе). Процесс экстрагирования проводили на шейкере Water bath shaker Type 357 и в ультразвуковой мойке «Ultrasons». Для сравнения проводили экстрагирование настаиванием (мацерацией). Повторность опытов трехкратная.

Исследовалось влияние вибрационного и ультразвукового воздействия, температуры экстрагента, степени измельчения и вида подготовки исходного сырья, времени процесса на качественные характеристики полученных экстрактов. Определялась оптическая плотность (зеленый светофильтр), показатель преломления, % сахарозы, плотность полученного экстракта, % выхода экстрактивных веществ.

Для оценки степени извлечения экстрактивных веществ и подтверждения эффективности метода экстрагирования определяли содержание растворимых сухих веществ, глюкозы по показателю преломления на рефрактометре RE50 (ГОСТ Р 50546-93 «Сироп из глюкозы. Определение со-

держания сухого вещества с использованием показателя преломления. Рефрактометрический метод»). Перевод найденного значения показателя преломления в значение массовой доли растворимых сухих веществ и глюкозы осуществляли по таблицам единиц BRIX путем интерполяции с помощью полинома Лагранжа.

Мутность экстракта измеряли на денситометре Денси-Ла-метр по оптической плотности, длина волны 535+/-20 нм.

Плотность полученных экстрактов определяли пикнометрическим методом по ГОСТ 29030-91 «Продукты переработки плодов и овощей. Пикнометрический метод определения относительной плотности и содержания растворимых сухих веществ».

На основе результатов экспериментальных исследований выявлена зависимость выхода растворимых веществ из плодов рябины обыкновенной от времени и установлены общие тенденции относительно выхода экстрактивных веществ (рис. 1-4).

Выявлено, что степень измельчения и вид подготовки исходного сырья оказывают значительное влияние на эффективность экстрагирования, что обусловлено внутренним строением плодов рябины.

а б

Рис. 1. Зависимость выхода экстрактивных веществ от времени (условия опыта: рябина сушеная, фракция мелкая 0,2...1 мм) при различной температуре: а - 60 °С; б - 76 °С

? 20

8

113

а

1 U)

х-—

—*— фракция сушеная, мелкая (0,2-1 мм}  фракция сушеная, крупная (1-2 мм} нативнзя, измельченная

f

f /

j

15 30 45 время, мин

60

а б

Рис. 2. Зависимость выхода экстрактивных веществ от времени (условия опыта: рябина сушеная, температура 60 °С) при различной частоте колебаний: а - 200 кол./мин; б - 350 кол./мин

Рябина, измельченная в ступке, практически полностью сохраняет клеточные стенки, что ведет к снижению коэффициента массопереноса. Но оптимальный размер частиц выбирается на практике с учетом технологических факторов, т.к. необходимо производить с требуемой скоростью не только процесс экстрагирования (слишком мелкие частицы могут слеживаться, образуя комки, оседающие на дно аппарата), но и процесс дальнейшего разделения фаз отстаиванием, фильтрованием и энергетическими затратами на измельчение твердой фазы.

время, мин время, мин

а б

Рис. 3. Зависимость выхода экстрактивных веществ от времени (условия опыта: рябина сушеная, температура 76 °С) при различной частоте колебаний: а - 200 кол./мин; б - 350 кол./мин

Для успешной диффузии растворимых веществ из растительной ткани необходимо повысить проницаемость клеточных мембран, что достигается посредством их денатурации при повышении температуры. Установлено, что с увеличением температуры возрастает скорость процесса экстрагирования и степень экстракции (см. рис. 1, 2).

а

б

Рис. 4. Зависимость выхода экстрактивных веществ от времени (условия опыта: рябина сушеная, ультразвуковое воздействие) при различной температуре: а - 60 °С; б - 76 °С

Высокие значения температуры дают возможность осуществлять процесс экстрагирования при меньшей скорости экстрагента и позволяют увеличить извлечение целевых компонентов. Чем выше температура и продолжительнее процесс экстрагирования, тем меньше в экстракте сохраняется микроорганизмов, т.е. наблюдается эффект пастеризации. Однако при этом большая часть термолабильных БАВ разрушается, а они в некоторых случаях составляют до 90 % всех активных веществ, извлекаемых из сырья, поэтому температуру в процессе экстрагирования рекомендуется поддерживать в пределах 70.. .76 °С.

Вибрационное и ультразвуковое воздействие интенсифицируют процесс извлечения экстрактивных веществ, причем с увеличением частоты колебаний скорость процесса увеличивается за счет более интенсивного массообмена (см. рис. 3, 4).

При всех исследованных режимах наиболее интенсивное извлечение наблюдается на протяжении первого часа (при ультразвуковом воздействии на протяжении первого получаса), затем скорость выхода экстрактивных веществ плавно снижается, и массоперенос практически заканчивается, что связано с достижением равновесной концентрации на границе раздела фаз.

Выводы. Таким образом, экспериментально исследован процесс извлечения целевых компонентов из плодов рябины обыкновенной и определены влияющие на процесс факторы, при которых достигается высокое качество получаемого водного экстракта и высокая степень извлечения растворимых веществ. Экспериментально обоснована продолжительность процесса экстрагирования, температура процесса, установлена зависимость изменения эффективности процесса экстрагирования от размера частиц и внешнего воздействия.

Результаты работы могут быть использованы при оптимизации режимов работы экстракторов для получения водных экстрактов рябины обыкновенной, которые применяются в пищевой и перерабатывающей промышленности при производстве БАВ и добавок к пище, как полуфабрикаты для производства напитков, а также в парфюмерно-косметической и фармацевтической отраслях промышленности.

Список литературы

1. Государственная Фармакопея СССР: Вып. 2. Общие методы анализа. Лекарственное растительное сырье / МЗ СССР. 11-е изд., доп. М.: Медицина. 1989.400 с.

2. Лысянский, В.М., Гребенюк С.М. Экстрагирование в пищевой промышленности. М.: Агропромиздат. 1987. 187 с.

3. Мищенко В.Я., Мищенко Е.В. Моделирование процесса экстракции пектиновых веществ из растительного сырья с применением вибраци-

онного воздействия // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Биологические науки. Т. 11, № 5 (2), 2009. С. 472-474.

4. Яцун, С.Ф., Мищенко, В.Я., Мищенко, Е.В. Использование вибрационного воздействия в процессах массообмена // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. №5, 2008. С. 99-101.

5. Яцун, С.Ф., Мищенко, В.Я., Мищенко, Е.В. Влияние вибрационного воздействия на процесс экстракции в пищевой промышленности // Известия вузов. Пищевая технология. № 4, 2009. С. 70-72.

Мищенко Елена Владимировна, канд. техн. наук, доц., art lena a inhox.ru, Россия, Орел, Орловский государственный аграрный университет,

Мищенко Владимир Яковлевич, канд. техн. наук, доц., Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет

KINETICS OF THE EXTRACTION PROCESS OF SOLUBLE SUBSTANCES

FROM ASHBERRIES

E. V. Mishchenko, V.J. Mishchenko

Experimental studies of the extraction process of soluble substances from ashherries at various external influences are conducted. The main factors affecting on the exit of extractive substances are identified, and characteristics of the received extracts are defined.

Key words: extraction, extract, vibration influence, ultrasound, refractive index.

Mishchenko Elena Vladimirovna, candidate of technical science, docent, art lenaa inbox. ru, Russia, Orel, Orel State Agrarian University,

Mishchenko Vladimir Jakovlevich, candidate of technical science, docent, art lenaqinbox. ru, Russia, Kursk, Southwest State University