Исследование процесса нанесения защитного покрытия на основе шеллака на поверхность капсулированных функциональных пищевых добавок

УДК 664.8.047

Профессор И.Ю. Алексанян, ассистент Н.П. Васина (Астраханский гос. техн. ун-т) Институт Нефти и Газа, кафедра технологических машин и оборудования, тел. 8 (8512)614-469

Исследование процесса нанесения защитного покрытия на основе шеллака на поверхность капсулированных функциональных пищевых добавок

Для упрощения, удешевлении технологии и повышения экологической безопасности производства исследован рациональный способ совмещения нанесения и сушки пищевой энтеросолюбильной пленочной оболочки при получении капсулированных функциональных пищевых добавок. Определены оптимальные технологические режимы, которые обеспечивают равномерное покрытие капсулированных форм при уменьшении количества некачественной продукции.

For simplification, reduction in cost of technology and increase of ecological safety of production the rational way of combination of drawing and drying of a food enteric film cover when receiving the encapsulated functional food additives is investigated. The optimum technological modes which provide a uniform covering of the encapsulated forms at reduction of quantity of low-quality production are defined.

Ключевые слова: сушка, полимерная пленка, диспергирование, равномерность, толщина.

Функциональные пищевые добавки покрывают пленками для защиты содержимого капсулы от неблагоприятных внешних воздействий, улучшения вкуса и придания более красивого внешнего вида (выравнивание неровностей поверхности, цвет) [2].

Установлено, что одним из рациональных способов равномерного нанесения тонкого слоя жидких продуктов на капсулированные формы является напыление. Основные преимущества этого способа - высокая интенсивность процессов нанесения и сушки покрытия, равномерность требуемой толщины оболочки, исключение агрегирования/слипания продукта.

Процесс нанесения покрытия на поверхность капсул состоит из следующих стадий: псевдоожижение слоя; распыление композиции в псевдоожиженный слой; формирование слоя защитного покрытия на поверхности капсулированных форм; сушка слоя защитного покрытия.

Отсутствие перспективных разработок в области пищевых энтеросолюбильных пленочных оболочек для твердых дозированных форм, в свою очередь, препятствует проведению исследований, направленных на поиск новых биологически активных компонентов функциональных пищевых добавок и их эффективных комбинаций. Поэтому актуальной задачей является разработка рационального способа сов-мещенния нанесения и сушки пищевой энтеросолюбильной пленочной оболочки.

На основе анализа литературных данных [1, 3] и серии опытов выявлены основные факторы, которые влияют на целевые функции (толщина покрытия и его равномерность): скорость ожижающего агента VB, м/ч; давление воздуха в форсунке Рф, МПа; начальное содержание растворителя в композиции и>„, кг/кг;

© Алексанян И.Ю., Васина Н.П., 2014

расход композиции в, м3/ч; диаметр отверстия в форсунке с2, мм. Границы варьирования факторов выбирались в соответствии с технологическими ограничениями и возможностями технического осуществления процесса нанесения покрытия. За целевые функции выбраны толщина Н, мм, и равномерность Е, %, защитной оболочки. Экспериментальные исследования проводились по полному многофакторному многоуровневому плану с использованием вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных (табл. 1).

Таблица 1

Основные факторы, влияющие на толщину покрытия

Уровни Факторы

Расход про- Скорость Давление Начальное Диаметр

дукта воздуха воздуха в содержание отверстия в

а м3/с Ув, м/с форсунке растворителя форсунке й,

РФ, МПа в компози- м

ции Шн,

кг/кг

1 з,зз-ю-7 0,067 0,253 0,8 0,7-10-3

2 1,33-Ю6 0,092 0,456 0,5 1,4-Ю-3

При температуре теплоносителя 303 К й Т < 343 К качество получаемого покрытия существенно снижалось и наблюдались эффекты стеклования покрытия и агломерации капсул в кипящем слое. При температуре теплоносителя Т > 343 К процесс нанесения покрытия невозможен, так как высыхание большинства распыленных капель композиции происходило еще до их контакта с поверхностью капсул.

В ходе исследований установлено, что значительное влияние на толщину и равномерность защитного покрытия оказывает давление распыливающего агента (воздуха) Рф. В результате предварительных исследований определен диапазон изменения давления Рф = 0,253..0,456 МПа для обеспечения качественного нанесения покрытия.

При увеличении Рф > 0,456 МПа возрастает дальнобойность распыленных капель композиции и уменьшается корневой угол факела распыла, что приводит к загрязнению стенок рабочей камеры установки и обусловливает перерасход и потери наносимой композиции. Уменьшение Рф < 0,253 МПа приводит к нарушению однородности факела распыла и образованию крупных капель композиции (более 100 мкм) на выходе из сопла форсунки, что значительно снижает качество покрытия при увеличении общей продолжительности процесса нанесения и сушки покрытия.

Для распыления композиций использовались пневматические форсунки с диаметром сопел с! = 0,7 и 1,4 мм. Применение с! < 0,7 мм существенно затрудняет процесс распыления достаточно вязкой композиции (при Ш = 0,5 кг/кг) и приводит к засорению сопел форсунки и возрастанию затрат энергии на распыл. Применение форсунок с й> 1,4 мм не обеспечивает требуемых характеристик факела распыла.

Исследование влияния скорости ожижающего агента в аппарате показало, что значение скорости Ук,„и = 5,5 м/с способствует более равномерному покрытию капсул вследствие их интенсивной циркуляции. Однако толщина покрытия, полученная при такой скорости ожижающего агента, несколько ниже, чем при скорости Укипь Объясняется это тем, что порозность слоя увеличивается и, следовательно, увеличивается проскок наносимой оболочки через слой капсул. Расход наносимой оболочки также является фактором, влияющим на целевые функции. При прочих одинаковых условиях повышение расхода в единицу времени ведет к снижению качества покрытия (равномерность) и увеличению

толщины покрытия. Это объясняется увеличением дисперсности факела (образование крупных капель продукта) и изменением его формы (увеличивается корневой угол и уменьшается дальнобойность).

Установлено, что после нанесения покрытия перед его высушиванием содержание спирта в композиции составляет 25 %.

Исследования процесса нанесения энтеросолюбильной защитной оболочки на капсулированные формы проводились на экспериментальной установке, которая позволяет наносить покрытия более равномерно и при соблюдении температурного режима, а также совместить нанесение с подсушкой.

Приготовление опытного образца композиции для получения защитной оболочки осуществлялось по методике, изложенной в [4].

Образец композиции распылялся на капсулированные формы посредством форсунки. Время нанесения в серии экспериментов оставалось неизменным. После формирования покрытия на поверхности капсулы ее вынимали для тестирования. Затем вырезали сегмент капсулы для измерения полученной толщины на микроскопе Альтами БИ02 при увеличении в 40 раз.

Проведено тридцать два опыта по определению влияния основных факторов (d, G, VB, Рф) на целевую функцию h при нанесении методом напыления защитной оболочки на капсулированные формы. Для повышения точности измерений каждый опыт повторяли три раза.

За величину равномерности покрытия принимали относительное отклонение измерения толщины оболочки капсулы, для чего в качестве образцов использовались капсулы с нанесенной оболочкой при режимных параметрах d, G, VB, Рф.

Экспериментальные данные обрабатывались с применением математического пакета MathCAD Professional, пакета электронных таблиц Microsoft Excel.

В результате исследований получены значения целевых функций h и R при различных d, G, VB, Рф.

После обработки данных были получены поля значений целевой функции h, м, от варьируемых факторов:

- при диаметре отверстия форсунки d = 0,7

h(P,Gl,v,w) : =

[(-6,8410 11 w + 4,22-10 11

)v + <7.

(з,4-10 10w-9,63-10 H)-v + (-3.

Ht81- .

+ (—1,2510 10w+ 3,0910" H)-v + (4,

7,7610 5-w - 4,4610 5

-3.28 • 10 4w+ 1,26- 10 5

u. 1

•p...

3,17-10 5-w+ 2,09-10 5)|-

Gl ...

01 x 10

- 5

•w+ l,75x 10 4)

- при диамет

h(P,Gl,v,w) : =

эе отверстия форсунки d= 1,4

10" n-w+ 1,18 , _ ____-1(

I(-l,9 • 10" H-w+ 1,18- 10 H)-v + (2,6V" 5

(-1,69-

H

10 10w+ 1,9610 10

-12 -12' 9,4410 -w-6,92-10

+ (2,21-10~ H-w - 5,9910" 11

l::t

I..U

10 "-w - 1,21-10 5)]-Gl .. 93- ÎO" ^-w - 2,43 • 10" 4)

+ 1-1,1610 5-w+8,3-10 6)J-Gl... + 1-1,22- 10"4w+ 3,78- 10"4

На рис. 1-4 изображены результаты расчета по уравнениям (1) и (2) в виде полей значений Н при фиксированных шн и d.

I

5.5? • 10

5.55  10

а) б)

Рис. 1. Поле значений толщины покрытия: а - при начальном содержании растворителя в композиции 80 %, диаметре отверстия форсунки 0,7 мм, скорости ожижающего агента 0,092 м/с; б - при начальном содержании растворителя в композиции 80 % , диаметре отверстия форсунки 0,7мм, скорости ожижающего агента 0,067м/с

а) б)

Рис. 2. Поле значений толщины покрытия: а - при начальном содержании растворителя в композиции 80 %, диаметре отверстия форсунки 1,4 мм, скорости ожижающего агента 0,092 м/с; б - при начальном содержании растворителя в композиции 80 % , диаметре отверстия форсунки 1,4 мм, скорости ожижающего агента 0,067м/с

а) б)

Рис. 3. Поле значений толщины покрытия: а - при начальном содержании растворителя в композиции 50 % , диаметре отверстия форсунки 0,7 мм, скорости ожижающего агента 0,092 м/с; б - при начальном содержании растворителя в композиции 50 % , диаметре отверстия форсунки 0,7мм, скорости ожижающего агента 0,067м/с

а) б)

Рис. 4. Поле значений толщины покрытия: а - при начальном, содержании растворителя в композиции 50 %, диаметре отверстия форсунки 1,4 мм, скорости ожижающего агента 0,092 м/с; б - при начальном содержании растворителя в композиции 50 % , диаметре отверстия форсунки 1,4 мм, скорости ожижающего агента 0,067м/с

Установлено, что основными характеристиками пленочного покрытия капсу-лнрованных форм функциональных пищевых добавок являются: состав пленки, ее толщина, процесс пленкообразования (прежде всего, скорость удаления растворителя) [1, 2]. По результатам проведенного исследования выявлено, что оптимальными значениями указанных параметров являются: начальное содержание растворителя в композиции для получения защитной оболочки и>„ = 50 %; толщина наносимой защитной оболочки h = 0,18 мм; скорость потока сушильного агента V = 5,5 м/с; температура сушильного агента Т= 298 К.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексанян, И.Ю. Распылительная сушка растительных экстрактов. Теория. Практика. Моделирование [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, O.A. Пет-ровичев : монография.- Germany, Saarbrucken, изд. LAP Lambert Academic Publishing, 2011. - 162 с.

2. Демчук, И.А. Исследование процесса пленкообразования при нанесении на таблетки пленки на основе ПВП [Текст] / И.А. Демчук.- Львов, 1987. - С. 300-301.

3. Титова, A.M. Сушка пищевых волокон. Теория и практика разработки способа [Текст] : монография / A.M. Титова. - Germany, Saarbrucken, изд. LAP Lambert Academic Publishing, 2011. - 125 с.

4. Энтеросолюбильная оболочка и композиция для ее получения : пат. 2442572 Рос. Федерация: МПК А61К 9/48 / Титова O.A., Васина Н.П. и др.; заявитель и патентообладатель Титова O.A., Васина Н.П. и др. - № 2010152478/15; ; заявл. 23.12.2010; опубл. 20.02.2012, Бюл. № 5. - 11 с.

REFERENCES

1. Aleksanyan, I.Yu. Raspylitelnaya drying of plant extracts. Theory. Practice. Modeling [Text] / I.Yu. Aleksanyan, Yu.A. Maksimenko, O.A. Petrovichev : monograph.-Germany, Saarbrucken, изд. LAP Lambert Academic Publishing, 2011. - 162 p.

2. Demchuk, I.A. study of the process of film formation when applied to the tablet film-based PVP [Text] / I.A. Demchuk.- Lions, 1987,- P 300-301.

3. Titova, L.M. Drying of food fibers. Theory and practice of development of a way [Text] : monograph / L.M. Titova.- Germany, Saarbrucken, LAP Lambert Academic Publishing, 2011- 125 p.

4. Intersolubility shell and composition to obtain : Pat. 2442572 Grew. Federation: MPK A61K 9/48 / Titova O.L., Vasina N.P. and others; applicant and patentee Titova O.L., Vasina N.P. and other No. 2010152478/15; ; Appl. 23.12.2010; publ. 20.02.2012, bull. № 5. - 11 p.