Методы интенсификации технологических процессов экстрагирования биологически активных веществ из растительного сырья

УДК 66.061.3

МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Г.В. Жматова1, А.Н. Нефёдов1, А.С. Гордеев1, А.Б. Килимник2

Кафедра механизации и автоматизации производственных процессов, МичГАУ

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: вываривание; интенсификация экстрагирования; мацерация; механический отжим; настаивание; отваривание; перколяция; турбоэкстракция; ультразвук.

Аннотация: Рассмотрены теоретические и практические вопросы извлечения биологически активных веществ из растительного сырья. Показано, что перспективным методом является ультразвуковое воздействие в диапазоне частот

20 кГц - 1,5 МГц, позволяющее извлекать из сырья растительного происхождения практически все известные соединения. Но к настоящему времени не установлены зависимости степени извлечения и разрушения извлекаемых биологически активных веществ от частоты и интенсивности ультразвука, а также от молекулярной массы обрабатываемых веществ.

Все возрастающее количество научно-прикладных разработок и публикаций по ним свидетельствуют о том, что технология интенсивного экстрагирования биологически активных веществ (БАВ) является одним из приоритетных направлений развития пищевой, химической, химико-фармацевтической и других отраслей промышленности.

Условно, все существующие методы извлечения БАВ из растительного сырья можно разделить на две группы:

- традиционные технологии извлечения;

- перспективные методы интенсификации технологических процессов экстрагирования.

За редким исключением, на большинстве предприятий извлечение БАВ ведется малоэффективными, трудоемкими традиционными методами (мацерация, перколяция, вываривание, настаивание, отваривание и различные способы механического отжима [1, 2]).

Мацерация и вываривание являются наиболее старыми способами. Мацерация представляет собой обыкновенное вымачивание, при котором происходит разрыхление клеточных стенок растительного сырья и растворение экстрагированных веществ. Длительность процесса достигает двух недель.

Одним из традиционных способов изготовления экстрактов и настоев является перколяция. При перколяции, или просачивании, растворитель проходит (просачивается) через слой измельченного сырья и «вымывает» целевые компо-

ненты. В перколяционный процесс могут вноситься различные вариации. Часто пользуются сочетанием процессов настаивания и перколяции. В настоящее время процесс экстрагирования процеживанием не отвечает задачам интенсификации производства и применяется, как правило, для получения единичных настоек [3].

Известен вихревой метод экстракции (турбоэкстрация), совмещающий интенсивное перемешивание и одновременное измельчение сырья в среде экстракта с помощью быстровращающихся мешалок, снабженных острыми лопастями. Недостаток этого метода - переизмельчение сырья и, как следствие, усложнение процесса очистки [4].

Очевидно, что параметрами, влияющими на скорость и степень извлечения, которые поддаются регулированию в нужную сторону, являются тип экстрагента, степень измельчения, разность концентрации, температура, давление, продолжительность извлечения и гидродинамические условия в аппаратах и камерах. Отдельные из перечисленных факторов реализуются в традиционных способах экстракции [5 - 6].

Для интенсификации процессов извлечения используют воздействие на сырье различных силовых полей: электрических, ультразвуковых, импульсных, дискретно-импульсных и др. Однако, большая часть этих перспективных методов до сих пор находится на стадии лабораторных или полупромышленных испытаний. Это прямо указывает на ряд нерешенных теоретических и практических задач.

Достаточно большое внимание в литературе уделяется экстракционному процессу под действием электрического тока. Поскольку гомогенность растительного сырья нарушена клеточными мембранами, разделяющими внутриклеточные и внеклеточные области, массообменные процессы в таких системах носят, очевидно, электрохимический характер. Следовательно, они должны зависеть от внешнего электрического воздействия, и электрический ток, проходя через обрабатываемое сырье, влияет на проницаемость мембран, разрушение клеток [7, 8]. Это, в свою очередь, влияет на процессы массообмена между твердой и жидкой фазами. Данные явления лежат в основе таких процессов, как электроплазмолиз и электродиализ, используемые для интенсификации извлечения компонентов из растительного сырья. Использование электроплазмолиза в сочетании с механическим воздействием (резание, прессование, перемешивание и т. д.) наиболее эффективно при обработке мезги при производстве соков, причем повышается выход соков и из тяжело прессуемого сырья, например, столовой и сахарной свеклы [9].

К нетрадиционным методам обработки растительного сырья относится электродиализ - диффузия электролитов через пористую мембрану под действием электрического тока. В процессе электродиализа достигается изменение ионного состава жидкостей, находящихся между мембранами, а изменений агрегатного состояния и фазовых превращений в системах не происходит. Вещества, входящие в обрабатываемое сырье, особенно термонестабильные белки, ферменты и др., остаются в первоначальном виде. Этот способ используется при получении чистых препаратов в небольших количествах.

Изучая процесс электрических воздействий на клеточном уровне, было показано, что действие тока может приводить как к увеличению пропускной способности мембран, так и к обратному эффекту [10].

Традиционно считается, что лимитирующей стадией экстрагирования является внутридиффузионный (массообменный) процесс, движущей силой которого является разность концентрации в экстрагенте (растворителе) и растворе веществ, содержащихся в клеточных и межклеточных структурах растительного сырья. Поэтому интенсификация процессов извлечения направлена на ускорение массо-обмена в системе «жидкость - твердое вещество» [11]. Перспективным с точки зрения подвода к системе энергии и преобразования ее в кинетическую энергию

является метод обработки твердых тел, находящихся в жидкости с помощью электрических разрядов [12].

Впоследствии появились модификации этого метода: электроимпульсный (сквозной пробой твердого тела); электрогидравлический (воздействие ударной волны, сопровождающей разряд в жидкости); мембранный, исключающий воздействие излучения на объект от канала разряда и электродинамический (сочетание сквозного пробоя твердого тела и ударной волны). Разряд в жидкости вызывает скачкообразный рост температуры канала, образование парогазовой полости и ее расширение с большой скоростью, приводящие к образованию импульса давления (гидроудар) [13 - 15].

При всей привлекательности использования искры в качестве «рабочего инструмента» ряд авторов отмечает негативные явления при длительной обработке импульсами напряжения, которые проявлялись в нарушении структуры некоторых БАВ [16, 17].

Кроме этого, в процессе извлечения происходит насыщение экстракта продуктами экстрагирования и эрозии электродов, что приводит к повышению электропроводности и росту токов утечки. Большие по величине импульсные токи могут вызвать в межэлектродном пространстве и на самих электродах неконтролируемые электрохимические реакции, интенсивное газовыделение, и повышение температуры, и, как следствие, окисление извлекаемых веществ [18]. Все эти негативные моменты, а также отсутствие единого мнения в публикациях, посвященных пробою жидкости (существует ряд теорий пробоя жидкости), сложность аппаратурного и технологического оформления (импульсы напряжения с наносе-кундным фронтом и амплитудой в десятки киловольт) несколько сдерживают широкое внедрение данных технологий в производство. Тем не менее, на некоторых предприятиях пищевой и фармацевтической промышленностей были внедрены эти прогрессивные методы [19, 20].

Перспективным «инструментом» в технологии извлечения БАВ из растительного сырья является ультразвук. Широкое применение ультразвуковых методов обусловлено особенностями физического и химического воздействий ультразвука на вещество. К настоящему времени созданы разнообразные ультразвуковые технологии процессов растворения, эмульгирования, получения тонкодисперсных суспензий, пропитки, акустической сушки, мойки и очистки разнообразных изделий, посола пищевых продуктов, предпосевной обработки семян, экстрагирования веществ, сварки термопластических материалов, склеивания деталей, механической размерной обработки и др. [21 - 27].

Подробнее остановимся на интересующем нас процессе экстрагирования БАВ ультразвуком.

В пищевой и фармацевтической промышленности, производстве соков из ягод и плодов ультразвук нашел широкое применение [29, 30]. Его воздействие способствует интенсификации процесса перемешивания системы сырье - экстрагент и, следовательно, ускорению стадий замачивания, диспергирования и массо-обмена, а кинетика извлечения БАВ зависит от их принадлежности к определенной химической группе [30, 31].

Показано, что ультразвуковым воздействием из сырья растительного происхождения в диапазоне частот 19___1500 кГц возможно извлекать практически все

известные соединения [32].

Механизмы же влияния колебательных процессов отличаются достаточной сложностью, поскольку звуковые и ультразвуковые колебания вызывают в жидкой среде ряд разнообразных эффектов. Считается, что к числу факторов, способствующих интенсификации относятся: увеличение скорости обтекания, ускорение пропитки твердого тела жидкостью, увеличение коэффициента внутренней

диффузии, кавитационный эффект, приводящий к появлению микротрещин и изменению структуры и дисперсности пористых тел [33].

Поэтому под действием ультразвуковых колебаний происходит более активное разрушение внутриклеточных тканей растительного сырья, что приводит к интенсификации процесса экстрагирования и повышает содержание БАВ в растворе.

В акустическом поле, наряду со снятием диффузионных ограничений, большое значение для интенсификации процесса имеют такие важные процессы как диспергирование и нарушение мицеллярной структуры экстрагируемого вещества, как в воде, так и в неводных растворах. Достичь такого же разрушения мицел-лярной структуры экстрагента, как это удается с помощью акустических колебаний, другими известными методами не удается [34].

Показано действие ультразвука на увеличение межфазной удельной поверхности реагирующих компонентов. Диспергирование при этом идет как за счет разрушения твердой фазы, так и за счет поверхностного трения между частицами твердой и жидкой фаз [35].

При экстрагировании растительного сырья рекомендуется замачивание. Однако многие капилляры заканчиваются в пачках и фибриллах, не выходя наружу. Воздушные пузырьки закупоривают в них растворы БАВ. Ультразвук, создавая звукокапиллярный эффект, ускоряет вытеснение этих пузырьков воздуха, а также создает условия для растворения его в жидкости [36].

Определенная часть энергии ультразвуковой волны поглощается объемом растительного сырья, образуя приграничный тепловой слой. Спирты могут ингибировать возникающие в ультразвуковом поле окислительно-восстановительные процессы.

Необходимо отметить, что использование ультразвука не всегда приводит к положительным результатам, но вопросам определения устойчивости извлекаемых веществ после ультразвукового озвучивания посвящены не столь многочисленные исследования. Точно не установлены зависимости степени разрушения БАВ от частоты ультразвука, его интенсивности и молекулярной массы обрабатываемых веществ.

Таким образом, выбор оптимальных параметров удельной нагрузки, интенсивности и частоты ультразвука, времени озвучивания, количество и местоположение излучателей и т. д. для отдельных видов сырья, является важным для решения проблемы интенсификации технологических процессов извлечения БАВ из растительного сырья.

Список литературы

1 Самсонова, А.Н. Технология и оборудование сокового производства /

А.Н. Самсонова, В.Б. Утешева. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 275 с.

2 Муравьев, И. А. Технология лекарств / И. А. Муравьев. - М.: Медицина, 1971. - 752 с.

3 Пономарев, В. Д. Экстрагирование растительного сырья / В. Д. Пономарев. - М.: Медицина, 1976. - 204 с.

4 Муравьев, И. А. Пути интенсификации процесса экстрагирования растительного сырья и совершенствование способов его расчета / И. А. Муравьев, Е.А. Кечатов, Н.А. Кечатов // Материалы конференции по совершенствованию производства лекарств и галеновых препаратов. - Ташкент, 1969. - С. 181.

5 А. с. 8И 1286232 А 1 В 01 Д 11/02. Способ экстрагирования из твердого тела / А. А. Долинский, В.Н. Мудриков, А. А. Корчинский (СССР). - № 3936068 / 31-26; Опубл. 8.08.1985, Б. И. № 22.

6 А. с. 8И 1263280 А1 В 01 Д 11/02. Способ экстрактивного извлечения целевых компонентов из древесины / С. М. Гребешок, Р. Н. Кирокосян, В. С. Павлов (СССР). - № 3831330 / 28 - 13; Опубл. 13.12.1984, Б. И. № 22.

7 Бутиков, В.В. Интенсификация процессов в массообменном оборудовании химических производств наложением электрических полей / В. В. Бутиков // Электронная обработка материалов. - 1983. - № 4. - С. 30 - 32.

8 Жарик, Б.Н. О разрушении клеточных оболочек растительной ткани при электроплазмолизе / Б.Н. Жарик, Л.И. Краженко, В.С. Мельничук // Электронная обработка материалов. - 1990. - № 8 - С. 67 - 67.

9 Ботошан, Н.И. Интенсификация процесса экстракции сахара предварительной обработкой свекловичной стружки / Н.И. Ботошан, А.Я. Панченко // Электронная обработка материалов. - 1990. - № 8 - С. 67 - 73.

10 Ботошан, Н.И. Явление гистерезиса при электрической обработке биологических сред / Н.И. Ботошан, А.Я. Панченко, В.Г. Чебану // Электронная обработка материалов. - 1988. - № 3. - С. 70 - 75.

11 Кардашов, Г. А. Физические методы интенсификации процессов химических технологий / Г. А. Кардашов. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.

12 Казуб, В.Т. Кинетика и основы аппаратурного оформления процессов электроразрядного экстрагирования биологических активных соединений: авто-реф. дис. _ докт. техн. наук / В.Т. Казуб. - Пятигорск, 2002. - С. 28.

13 Гулый, Г. А. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического эффекта / Г.А. Гулый. - М.: Машиностроение, 1977. -320 с.

14 Нагульных, К. А. Электрические разряды в воде / К. А. Нагульных, Н. А. Рой. - М.: Наука, 1971. - 190 с.

15 Яцко, М.А. ЭГ - установка мембранного типа для обработки виноградной мезги / М. А. Яцко, И. А. Журавлева // Электронная обработка материалов. -1970. - № 4. - С. 53 - 56.

16 Димов, Х.Т. Влияние электрогидравлического удара на степень разрушенности структуры сырья: листья прессовки и семян дрока / Х.Т. Димов,

B.Д. Понамарев // Формация. - 1979. - № 6. - С. 57.

17 Яцко, М.А. Влияние электроимпульсной обработки на водные растворы углеводов / М.А. Яцко // Электронная обработка материалов. - 1975. № 3. -

C. 59 - 60.

18 Семкин, Б.В. Основы электроимпульсного разрушения материалов / Б.В. Семкин, А.Ф. Усов, В.И. Курец. - Л.: Наука, 1995. - 277 с.

19 Патент РФ № 2066326. 6 С 08 В37/06. Способ получения пектинов, обладающих антибактериальным действием / В.Т. Казуб, Н.Ш. Кайшева, В.А. Ком-панцев, Ю.Н. Кудимов, Т.Н. Ващенко. - Опубл. 10.09.96. Б.И. № 25.

20 Мартиросян, К.В. Интенсификация процессов извлечения полисахаридов в электроразрядных экстракционных аппаратах: автореф. дис. _ канд. техн. наук / К.В. Мартиросян. - Тамбов. - 2002. - 16 с.

21 Голянина, И. П. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / И. П. Голянина. -М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

22 Эльпинер, И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие / И.Е. Эльпинер. - М.: Госиздат, 1963. - 420 с.

23 Фридман, В.М. Физико-химическое действие ультразвука и ультразвуковая аппаратура для интенсификации химико-технологических процессов /

В.М. Фридман. - М.: НИИХМ, 1965. - 213 с.

24 Аграпат, Б.А. Основы техники и физики ультразвука / Б.А. Аграпат, Н.М. Дубровин, Н.Н. Хавский. - М.: Высш. школа, 1987. - 352 с.

25 Заяс, Ю.Ф. Интенсификация технологических процессов при помощи ультразвука / Ю.Ф. Заяс // Пищевая промышленность. - 1960. - № 3. - С. 21.

26 Немчин, А.Ф. Опыт применения кавитационных аппаратов в сахарной промышленности / А.Ф. Немчин. - М.: Агропромиздат. - 1986. - сер. 23 - вып. 1.

27 Келлер, О.К. Ультразвуковая очистка / О.К. Келлер, Г.С. Кротыш, Г. Д. Лубяницкий. - Л.: Машиностроение, 1977. - 253 с.

28 Г насюк, Г.Н. Применение ультразвука для повышения сокоотдачи винограда / Г.Н. Гнасюк, М.В. Левина, В.Т. Поновский. - В кн. Применение ультразвука. - М.: ЦНИТИэлектропром, 1960. - С. 141.

29 Гнасюк, Г. Н. Ускорение кристаллизации винного камня при воздействии ультразвука / Г.Н. Гнасюк, И.П. Дульнева, В.Г. Поповский. - В кн. Применение ультразвука. - М.: ЦНИТИэлектропром, 1960 - С. 73.

30 Фиклистов, И.Н. Методы интенсификации процесса экстрагирования / И.Н. Феклистов, Г. А. Аксельруд // Инженерный физический журнал. - 1964. -№ 1. - С. 45.

31 Молчанов, Г.И. Интенсивная обработка лекарственного растительного сырья / Г.И. Молчанов. - М.: Медицина, 1981. - 206 с.

32 Молчанов, Г.И. Ультразвук в фармации. - М.: Медицина, 1980. - 176 с.

33 Аксельруд, Г.А. Экстрагирование системы твердое тело - жидкость / Г. А. Аксельруд, В.М. Лысянский. - Л.: Химия, 1974. - 256 с.

34 Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний для интенсификации процессов химической технологии / Б.Г.Новицкий. - М.: Машиностроение, 1978. - 56 с.

35 Гершал, Д.А. Ультразвуковая аппаратура / Д.А. Гершал, В.М. Фридман. -М.: Энергия, 1967. - 300 с.

36 Жарова, Е.Я. Применение ультразвука при кристаллизации глюкозы / Е.Я. Жарова. - М.: Агропромиздат, 1974. - 32 с.

Intensification Methods of Extracting Biologically Active Substances from Vegetative Raw Materials

G.V. Zhmatova1, A.N. Nefedov1, A.S. Gordeev1, A.B. Kilimnik2

Department of Mechanization and Automation of Manufacturing Processes,

MichSAM (1);

Department of Chemistry, TSTU

Key words and phrases: intensification of extraction; maceration; percolation; digestion; infusion; boiling; turbo-extraction; mechanical pressing; ultrasound.

Abstract: Theoretical and practical issues of extraction biologically active substances from vegetative raw materials are studied. It is shown that ultrasound influence within the frequency range of 20 KHz - 1,5 MHz is an effective method, which allows extracting practically all known substance from vegetative raw materials. The dependencies of the extraction and destruction degree of extracted biologically active substances on the frequency and intensity of ultrasound as well as molecular mass of processed substances haven’t been found so far.

Methoden der Intensifizierung der technologischen Prozesse des Extrahierens der biologisch aktiven Stoffe aus dem Pflanzenrohstoff

Zusammenfassung: Es sind theoretische und praktische Fragen des

Herausziehens der biologisch aktiven Stoffe aus dem Pflanzenrohstoff betrachtet. Es ist gezeigt, dafl die Ultraschalleinwirkung im Frequenzbereich von 2G k^ bis 1,5 МГц

eine perspektive Methode ist. Sie erlaubt, praktisch alle bekannte Verbindungen aus dem Pflanzenrohstoff herauszuziehen. Aber zur Zeit sind die Abhangigkeiten der Herausziehungs- und Zerstorungsgrade der biologisch aktiven herausziehenden Stoffe von der Frequenz und Intensivitat des Ultraschalls und auch von der Molekularmasse der bearbeitenden Stoffe nicht festgestellt.

Methodes de l’intensification des processus technologiques de l’extraction des matieres biologiques actives a partir des matieres premieres vegetales

Resume: Sont examines les problemes theoriques et pratiques de l’extraction des matieres biologiques actives a partir des matieres premieres vegetales. Est montre que la methode perspective est celle de l’action ultra-sonore dans l’intervalle des frequences

20 kHz - 1,5 kHz permettant d’extraire pratiquement toutes les matieres connues a partir des matieres premieres vegetales. Cependent pour le moment actuel ne sont pas etablies toutes les dependances du degre de l’extraction et de la destruction des matieres biologiques actives de la frequence de l’extraction et de l’intensifications de l’ultra-son, mais aussi de la masse moleculaire des matieres traitees.