Ультразвуковая экстракция в промышленном производстве инстантных форм растительных субстратов

Ультразвуковая экстракция в промышленном производстве инстантных форм растительных субстратов

Д.И. Поверин, А.Д. Поверин

НПО «Биоиндустрия»

Различные виды технологических процессов экстракции натурального растительного сырья широко используют при производстве алкогольных и безалкогольных напитков, относящихся к категории продуктов адекватного и функционального питания [1-5]. Существенный технологический недостаток большинства способов экстрагирования биологически активных веществ и соединений из натуральных растительных субстратов — их энергоемкость и длительность, а в ряде случаев и невысокая селективность и эффективность. Именно по этой причине при промышленном извлечении заданных биохимических компонентов зачастую приходится применять комбинированные методы экстракции, что усложняет технологический процесс и приводит к дополнительным затратам различных видов ресурсов.

В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом, в промышленных производствах связанных с экстрагированием различных веществ и соединений из натуральных растительных субстратов, все шире используют ультразвуковые методы экстракции. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что этот метод имеет существенные преимущества перед традиционными и позволяет существенно повысить эффективность и рентабельность промышленных предприятий, производящих продукты адекватного и функционального питания.

Краткое описание предложенного метода. Источниками ультразвуковых колебаний в промышленном производстве могут быть различные колебательные системы, преобразующие электрическую или механическую энергию в систему упругих колебаний [6].

Гармонические колебания частиц в звуковой волне описываются общеизвестным уравнением

а = А siп ю (т - х/с),

рад/с; т — время, с; х — расстояние частицы от излучающей поверхности, см; с — скорость звука, см/с.

Распространение ультразвуковой волны не связано с переносом вещества. Общая энергия волны равна сумме потенциальной и кинетической энергий. В различных средах скорость распространения ультразвука различна и зависит от частоты колебаний и вязкости среды. Ультразвук хорошо распространяется в жидкостях и еще лучше — в твердых телах.

Основной параметр, характеризующий свойства среды по отношению к проходящей через нее волне, — произведение плотности среды р (кг/м3) на скорость звука с (м/с):

р с = р/и,

где р — эффективное значение звукового давления, Па; и — колебательная скорость звука, м/с.

Произведение р с называют удельным акустическим сопротивлением среды. В свою очередь, интенсивность звука оценивается силой звука — энергией звуковых колебаний, проходящей по нормали к поверхности площадью 1 м2 в течение 1 с. Интенсивность звука (Вт/м2) определяется по выражению вида

I = р2/(р с).

Для осязаемых человеческим ухом звуков интенсивность I оценивают по отношению к величине предела слышимости человеческого уха, т. е. интенсивность определяется уровнем силы звука, который измеряют в децибелах

1 дБ = 101 ё(1/1,),

где а — смещение частицы относительно положения покоя, мкм; А — амплитуда волны, мкм; ю — угловая скорость,

где 10 — предел слышимости, равный 10-12 Вт/м2.

Наиболее важный для промышленных целей эффект, сопровождающий ультразвуковые колебания и определяющий эффективность процесса ультразвуковой экстракции, — ка-

витация. Данное явление сопровождается образованием микропустот, мгновенно заполняемых паром и газами, растворенными в жидкости. При конденсации пара пустоты «захлопываются», вызывая ударные волны высокого давления, разрушительно действующие на частицы в жидкости. Под воздействием процесса кавитации происходит механическое разрушение клеточных стенок и образование диффузионных микротоков, что, в свою очередь, обеспечивает выход клеточного сока и его последующее растворение в экстрагенте.

Учитывая важность и перспективность применения технологии ультразвукового экстрагирования для производства инстантных форм зеленого чая и других растительных субстратов, в период 2003-2005 гг. на научно-экспериментальной базе НПО «Биоиндустрия» проводились комплексные натурные исследования указанного процесса применительно к проблемам промышленного производства продуктов адекватного и функционального питания [7-8]. В качестве экспериментальной установки использовали опытный ультразвуковой экстрактор «УЗЭ-0,5» разработки НПО «Биоиндустрия» (рис. 1). Сущность его работы заключалась в следующем. Обрабатываемое растительное сырье (гидромодуль — смесь воды питьевой и растительного субстрата в различных соотношениях) загружали в емкость с мешалкой, после чего включали ультразвуковой генератор. Упругие колебания ультразвуковой частоты, формируемые излучателями, возбуждали высокочастотные механические колебания, под воздействием которых в гидромодуле формировались зоны интенсивной кавитации и диффузионного растворения клеточных субстратов в экстрагенте. Из экстрактора полученный жидкий экстракт поступал в накопительную емкость и подвергался детальным биохимическим исследованиям. Если степень обработки растительного субстрата была недостаточна, полученный экстракт направляли для повторной экстракции. Таким образом, экстрактор «УЗЭ-0,5» мог работать как по замкнутому циклу, так и на проход.

Как показали проведенные опыты, из различных видов использованного растительного сырья методом ультразвуковой экстракции можно извлекать практически все находящиеся в нем известные биохимические вещества и соединения. В процессе исследований установлено, что большинство флавоноидов, дубильных веществ, фенолгликозидов, связанных кумари-нов, фенолкарбоновых кислот и ряда других соединений извлекались из сы-

2006

18

Рис. 1. Технологическая схема ультразвукового экстрактора «УЗЭ-0,5»: 1 — ультразвуковой генератор; 2 — рама из нержавеющей стали; 3 — насос винтовой ОНВ; 4 — емкость с мешалкой из нержавеющей стали; 5 и 6 — арматура обвязки

рья и переходили в экстрагент от 10 до 100 раз быстрее, чем при наиболее эффективных штатных методах экстракции. Кинетика ультразвуковой экстракции биологически активных веществ и соединений определялась в основном их принадлежностью к определенной химической группе. Так, например, степень и качество извлечения веществ в экспериментах возрастали в следующей последовательности: масла, алкалоиды, фуранохромоны, секви-терпены, флавоноиды, сапонины, тани-ды, ириноиды. При этом наблюдали не только ускорение процессов экстракции по времени, но и увеличение массового выхода биологически активного вещества и соединений. Так, например, увеличение выхода танино-катехинно-го комплекса из натурального зеленого чая в проведенных экспериментах составило 5-10 %.

В процессе осуществления экспериментальных исследований были выявлены и оптимизированы технологические приемы проведения процесса экстракции для конкретных видов растительного сырья, применяемого при промышленном производстве продуктов адекватного и функционального питания.

Так, например, при экстрагировании натурального растительного сырья обычно приходится использовать первично высушенные материалы. Поэтому на первом этапе экстрагирования растительное сырье необходимо замачивать. Обычно на замачивание тратится до 5-10 ч. Ультразвуковые колебания позволяют значительно сократить время замачивания. Так, если для измельченной травы зверобоя, чабреца, листьев мяты время оптимального набухания в обычных

условиях составляют 2 ч, а для корневищ валерианы, девясила, аира и других видов сырья до 6 и 8 ч, то при использовании экстрактора «УЗЭ-0,5» достаточно 30 мин для замачивания и всего лишь 10 мин для ультразвукового воздействия и завершения процесса экстракции.

В ходе экспериментов была оптимизирована технологическая схема предварительного измельчения растительных субстратов перед экстрагированием. Так, например, установлено, что эффективность процесса ультразвукового экстрагирования растительного сырья в значительной степени зависела от дисперсности исходного сырья. При использовании в качестве исходного сырья травы растений, имеющих тонкую и рыхлую листовую пластинку с мягкими оболочками, большим количеством прожилок и межклеточных пространств, размер частиц не играет существенной роли и может колебаться в пределах от 2 до 8 мм. Типичные примеры такого растительного сырья — трава ландыша, полынь горькая, листья мяты перечной, зверобоя, красавки, наперстянки, горицвета, тысячелистника, цветы ромашки аптечной, ноготков и др. Такое сырье набухало под действием ультразвука в течение нескольких минут.

Для экстрагирования растительного сырья с одеревеневшими клетками плотной структуры размер частиц должен быть гораздо меньше. Оптимальный выход биологически активных веществ при использовании ультразвука для экстрагирования корней или корневищ чемерицы, женьшеня, стальника, радиолы, заманихи, красавки, валерианы, лопуха, крестовника и др. отмечали при размерах частиц от

0,25 мм до 1,0 мм. Оптимальный размер частиц для экстрагирования коры, дуба, крушины, плодов соборы, боярышника, кожуры граната составил 0,5-1,5 мм.

Важное значение для осуществления эффективного процесса экстрагирования с применением вышеописанного ультразвукового метода имеет правильный выбор экстрагента. Установлено, что особых ограничений на использование в качестве экстраген-тов различных видов растворителей не существует. Единственное требование, предъявляемое к экстраген-ту, — отсутствие взрывоопасности, а также самопроизвольной биохимической деструкции и разложения в ходе технологического процесса. Лучшие результаты по экстрагированию различных видов натуральных растительных субстратов были получены при ис-

% на СВ

— вода

— водно-спиртовая смесь

Рис. 2. Выход экстрактивных веществ зеленого чая при использовании различных экстрагентов

пользовании спиртово-водных смесей (рис. 2). Для повышения эффективности процесса ультразвукового экстрагирования в ходе экспериментальных исследований использовали различные добавки к экстрагенту. Наилучшие технологические показатели имели глицерин и поверхностно активные вещества (ПАВ), которые эффективно упорядочивали образование кавита-ционных зон и тем самым исключали возможность появления негативных деструктивных изменений в ходе протекания процесса экстракции. В отдельных случаях в качестве ингибиторов применяли слабые органические кислоты: винную, лимонную, аскорбиновую, а также отдельные алкалоиды. Добавление к экстрагенту небольших количеств ПАВ (от 0,1 до 0,3 %) обеспечивало увеличение выхода полезных веществ на 15-20 %.

Важный технологический момент, способствующий эффективному осуществлению процесса ультразвукового экстрагирования, — обеспечение

непрерывного и интенсивного перемешивания экстрагента и измельченного растительного субстрата в рабочей камере. Это, во-первых, обеспечивает оптимальный доступ экстрагента к каждой частице, а во-вторых позволяет осуществить кавитационное воздействие практически на каждую частицу в отдельности. Причем соотношение сырье — экстрагент должно быть строго определенным. Были получены следующие результаты по оптимальному заполнению рабочей камеры экстрактора растительными субстратами (%): чай зеленый — 11; семена укропа — 7; семена моркови — 9; корневища аира — 1; цветки ромашки — 25; плоды шиповника — 15.

Важное значение для осуществления вышеуказанного технологического процесса имеет продолжительность ультразвукового воздействия. Очевидно, что с увеличением времени воздействия выход суммы биологически активных веществ пропорционально увеличивается, что и наблюдали в экспериментах. Однако такое увеличение происходило до момента истощения исходного сырья. Полное истощение сырья отмечали, как правило, при ве-

личине частиц до 0,5 мм и воздействии ультразвука в течение не более 15 мин. При величине частиц до 1 мм полное истощение растительного сырья наступало через 60 мин обработки. И наконец, 2 ч требовалось для полного истощения сырья с размерами частиц 2 мм. При величине частиц от 8 мм до 10 мм за 2 ч обработки в экстрагент переходило менее 55 % биологически активных веществ. Таким образом, было установлено, что предварительное измельчение сырья до размера частиц менее 0,5 мм обеспечивало полное истощение сырья за 10-15 мин ультразвуковой обработки.

Увеличение температуры экстраген-та существенно влияет на интенсивное образование газовых пузырьков на границах раздела сред, что приводит к снижению интенсивности распространения ультразвуковой энергии. Максимальный выход биологически активных веществ и соединений отмечали при температуре 30...60 °С. В связи с этим при проведении экспериментов по экстрагированию учитывали фактор повышения температуры экстрагента за счет поглощения ультразвуковой энергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А. и др. Пищевая химия. — СПб.: ГИОРД, 2001.

2. Кудряшева А.А. Секреты хорошего здоровья и активного долголетия. — М.: Пищепромиздат 2000.

3. Натуральные биокорректоры: питание, здоровье, экология//Тез. докл. и сообщений Первого международного симпозиума, декабрь 1996. — М.: Пищепромиздат, 1997. С. 1-67.

4. Натуральные биокорректоры: питание, здоровье, экология//Тез. докл. и сообщений Второго международного симпозиума, ноябрь 1997. — М.: Пищепромиздат, 1997. С. 3-72.

5. Поверин Д.И., Доронин А.Ф., Нахмедов Ф.Г., Поверин А.Д. Лекарственные растения в производстве напитков чайных//Пиво и напитки. 2001. № 5. С. 54-56.

6. Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Колос, 2000.

7. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997.

8. Поверин А.Д., Поверин Д.И. Технология промышленной переработки лекарственного растительного сырья. — М.: Изд-во МСХА им. К.А. Тимирязева, 2000.

ПИВ° и НАПИТКИ

|1-2006

20