V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Традиционная технологическая операция извлечения биологически активных веществ из растительного сырья при производстве полуфабрикатов для безалкогольной промышленности - экстрагирование, которое осуществляется трудоемкими и, главное, длительными методами перколяции и мацерации, при которых усиливается действие деструктивных факторов, таких, как окисление, разрушение биологически активных веществ ферментами, их инактивацией[1].

Интенсификация процесса экстрагирования может быть проведена с использованием комплексных ферментных препаратов и различных физических факторов.

Интенсификация процессов экстрагирования растительного сырья вызывает необходимость изучать характер протекающих при этом процессов и оценивать влияние различных факторов на выход целевых компонентов и качество получаемых продуктов.

С целью интенсификации экстракционного процесса, определения рациональных режимов его проведения были проведены экспериментальные исследования по определе-нию диффузионных свойств обрабатываемого сырья. Характеристикой диффузионных свойств материалов растительного происхождения является коэффициент диффузии D, который зависит от строения и физических особенностей сырья, температуры и концентра-ции извлекаемых веществ в твердом теле.

В качестве объектов исследований были использованы быстрозамороженные ягоды клюквы и брусники, физико-химические показатели которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Физико-химические показатели ягод клюквы и брусники

Наименование показателей	Клюква	Брусника
Массовая доля сухих веществ, %	11,5±0,2	12,8±0,2
Общее содержание фенольных веществ, мг/100г	640±5	810±5
Массовая доля сахаров, %	3,7±0,7	8,1±0,7
Массовая доля пектиновых веществ, %	0,43±0,03	0,25±0,03

Для экспериментального определения коэффициента диффузии был использован экстракционный метод, при котором периодический (замкнутый) процесс проводился при снятом внешнем диффузионном сопротивлении. Эксперименты проводились в трёх проворностях для каждого опыта при температуре 30⁰С, а также с использованием биокаталитической обработки ферментным препаратом пектолитического действия Фруктоцим P6L в концентрациях 0,01 и 0,1. Данные по изменению содержания сухих веществ в жидкой фазе в зависимости от продолжительности процесса отображены на рисунке 1. Линейные размеры частиц сырья для расчета коэффициента диффузии были определены при помощи окулярного микрометра АП-8-2 и микроскопа МикМед-5. Величина эквивалентного размера частиц R клюквы составляет 1,2*10^-3м, а для брусники – 1,12*10^-3м. Размеры частиц в ходе процесса экстрагирования оставались постоянными, так как использовалось замороженное сырье (отсутствовал процесс набухания).

Рисунок 1 - Кинетические кривые экстрагирования с использованием ФП (Фруктоцим P6L)

В основу расчёта локальных значений коэффициента диффузии положен уточнённый интервально-безитерационный метод, основным расчётным уравнением которого, при условии аппроксимации частиц шарообразной формой, является формула 1. Для расчёта значений коэффициента диффузии на интервалах составлен алгоритм расчёта и разработана программа, позволяющая при использовании экспериментально полученных зависимостей рассчитать численные значения коэффициента диффузии по формуле 2 [2].

, (1)

.

. (2)

По рассчитанным значениям коэффициента диффузии были построены зависимости изменения коэффициента диффузии, которые изображены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Изменение коэффициента диффузии с использованием ФП (Фруктоцим P6L)

Характер кривых по изменению коэффициента диффузии объясняется так.

В начальной стадии процесса экстрагирования происходит проникновение экстрагента в поры частиц измельченного сырья (ягод клюквы и брусники) и извлечение биологически активных веществ, находящихся в непосредственном соприкосновении с экстрагентом. В течение первых 10 минут процесса коэффициент диффузии повышается очень медленно. Это связано с происходящими в это время процессами поглощения экстрагента.Далее наблюдается увеличение коэффициента диффузии. В это время происходит процесс извлечения сухих веществ из труднодоступных для экстрагента областей частиц твёрдого тела. Через 25-30 минут после начала процесса для клюквы и для брусники начинается уменьшение коэффициента диффузии. При этом численные значения коэффициента диффузии возросли на несколько порядков (с 10^-10 до 10^-6). Это можно объяснить тем, что ферментативная обработка увеличивает проницаемость клеточных оболочек и чем больше дозировка ферментного препарата, тем более проницаемыми становятся частицы сырья. Эта зависимость от увеличения концентрации ферментного препарата хорошо видна при экстрагировании клюквы. Для брусники наблюдается обратная зависимость: при увеличении концентрации ферментного препарата численные значения коэффициента диффузии уменьшаются на порядок, хотя и сохраняют общую зависимость от продолжительности процесса. Несмотря на это общий выход сухих веществ из брусники при увеличении концентрации ферментного препарата выше, чем при низкой концентрации. По нашему мнению, это можно объяснить исходя из размеров частиц брусники. Частицы брусники имеют меньший размер, чем частицы клюквы. Возможно, при увеличении концентрации ферментного препарата начинается активный гидролиз поверхностного слоя частиц, что приводит к его закупорке и затруднению процесса экстрагирования из отдаленных слоев частиц.

После аппроксимации результатов, полученных при расчёте коэффициента диффузии в зависимости от продолжительности и температуры процесса и с использованием ферментных препаратов, при помощи STATISTICA 6.0, выведена математическая зависимость коэффициента диффузии, описывающая процесс экстрагирования плодово-ягодного сырья водой от данных параметров.

Для клюквы обработанной ферментным препаратом Фруктоцим П6Л:

D*10⁶=-3,4283+0,008494*τ-188,24*C_фп-0,14*10^-5*τ²+184,253*C_фп² +0,031354*τ* C_фп

Для брусники обработанной ферментным препаратом Фруктоцим П6Л:

D*10⁶=-2,0965+0,003458*τ-126,14*C_фп-0,48*10^-6*τ²+702,493*C_фп²+0,004895*τ* C_фп

Уравнения справедливы при температуре процесса 30⁰С и при концентрации ферментного препарата 0,01-0,1% при продолжительности процесса до 1,5 часа.

Полученные зависимости коэффициента диффузии сухих веществ можно рекомендовать использовать в инженерных расчетах процесса экстрагирования быстрозамороженных ягод клюквы и брусники.

Список используемой литературы:

1. Цыбулько Е.И. Оптимизация процесса экстрагирования при получении ингридиентов из растительного сырья/Е.И. Цыбулько, Е.В. Макарова, Т.П. Юдина, Ю.В. Бабин, В.А. Бураго// «Пиво и напитки». – 2004. - №5. - С40-42

2. Лысянский В.М., Гребенюк С.М. Экстрагирование в пищевой промышленности. – М.: Агропромиздат, 1987, - 188с.

Код для цитирования: Скопировать