РАЗРАБОТКА МАЛООТХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ПЛОДОВО-ЯГОДНОГО СЫРЬЯ МЕТОДОМ НИЗКОЧАСТОТНОГО ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Оробинская В.Н.¹, Писаренко О.Н.²

¹Кандидат технических наук, ²Кандидат философских наук, Северо-Кавказский федеральный университет, филиал СКФУ в г. Пятигорске

РАЗРАБОТКА МАЛООТХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ПЛОДОВО-ЯГОДНОГО СЫРЬЯ МЕТОДОМ НИЗКОЧАСТОТНОГО ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Аннотация

Объектом исследования являлось определение оптимальных технологических параметров эффективности процесса экстрагирования антоцианов и др. БАС из отходов плодово-ягодной промышленности при помощи вибрационного экстрактора, а также возможность интенсификации процесса экстрагирования и за счет других параметров: различной концентрации этилового спирта, температуры, частоты и амплитуды колебаний. В процессе работы проведены  экспериментальные исследования процесса экстрагирования антоцианов из выжимок черной смородины, определены технологические параметры процесса, обеспечивающие наиболее полный выход антоцианов.

Ключевые слова: функциональные ингредиенты, антоцианы, экстракция, экстрактор, лопасть

Orobinskaya V.N.¹, Pisarenko O.N.²

¹PhD in Engineering, ²Ph.D., of the North Caucasus Federal University branch SKFU in Pyatigorsk

DEVELOPING OF LOW WASTE TECHNOLOGIES BY EXTRACTION ACTIVE COMPOUNDS FROM THE A FRUIT RAW MATERIAL OF LOW-FREQUENCY VIBRATION EXPOSURE

Abstract

The object of the study was to determine the optimum operating parameters of the efficiency of the extraction of anthocyanins and other. BAS waste fruit and berry industry with the help of a vibrating extractor, as well as the possibility of intensifying the extraction process, and by other parameters: different concentrations of ethyl alcohol, temperature, frequency and amplitude of oscillation. In the process of experimental studies of the process of extraction of anthocyanins from blackcurrant marc defined process parameters, providing the most comprehensive way of anthocyanins.

Keywords: functional ingredients, anthocyanins, extraction, extractor blade

Введение

Аппаратурное оформление новых технологических линий, позволяющих получать высококачественные продукты питания и ингредиенты для их производства, требует создания современного высокоэффективного оборудования.

Одно из этих направлений  - использование вибрационных технологических установок, реализующих преимущество вибрационного воздействия на интенсификацию технологических процессов.

Как известно, воздействие вибрации позволяет интенсифицировать многие механические и тепловые процессы во много раз [1-4].

С использованием этого явления разработана большая гамма вибрационного оборудования, нашедшего применение в пищевой, мясной и молочной промышленности.

Объекты и методы

Флавоноиды - вещества широко распространенные в растительном мире и придающие яркую окраску многим цветкам, плодам и листьям. Известно около четырех тысяч флавоноидов.  Это гетероциклические соединения с атомом кислорода в кольце. Они являются производными 2 фенил-бензо-γ-пирона, в основе которого лежит дифенилпропановый углеродный скелет, состоящий из С₆—С₃—С₆.

Антоцианы - – пигменты, растворенные в вакуолярном соке эпидермальных тканей цветков и плодов, которым они придают розовый, красный, синий или фиолетовый цвета. Они существуют в различных химических формах, окрашенных и бесцветных в соответствии с pH; очень неустойчивы в форме агликона (антоцианидины).

Экстракция – это процесс, в котором одно или несколько веществ извлекают из растворов с помощью растворителя.

Экстрагирование – извлечение ценных веществ из твердых продуктов

Гидромодуль – соотношение сырье : экстрагент .

Низкочастотный вибрационный экстрактор - экспериментальная модель лабораторного  низкочастотного вибрационного экстрактора для интенсификации технологического процесса  экстракции, отличается конфигурацией перемешивающей лопасти (усеченная призмы с перфорированными отверстиями – диаметром 1 см)  возможностью  регулирования частот вибрационного воздействия ( 1 –  20Гц; 2 – 50 Гц) .

К установкам, использующим эффект вибрации для механических процессов  относятся вибрационные конвейеры и питатели, сита, смесители, мельницы, активаторы, бункера; к тепломассообменным виброаппаратам – экстракторы, промыватели, реакторы, сушилки, печи, охладители.

Вибрационные питатели  и конвейеры имеют длину от 0,5 до 3 м и регулируемую производительность. Вибрационные питатели  и конвейеры нашли широкое применение при производстве сухого молока для транспортировки циклонной фракции и готового продукта при бункерном хранении.

Вибросмесители используются для перемешивания сыпучих продуктов: сухого мороженного, регенерируемого молока, сахара с подсластителями и  красителями, соли с добавками калия,  магния, йода при производстве лечебно-профилактической соли (ЛПС), пряностей и т.д. Вибрация значительно интенсифицирует процесс рассева продуктов при их классификации на сетчатой поверхности.

Вибросита широко используются во многих отраслях пищевой промышленности для рассева сухого молока, зерна, круп, муки и т.д. Вибрация способствует выгрузки сыпучих продуктов из бункеров и других емкостей, препятствуя слеживанию, сводообразованию, зависанию и налипанию продуктов на стенки. На основе этого эффекта разработан  параметрический ряд бункеров с виброактиваторами, представляющими собой вибрирубющее днище с патрубком выгрузки, устанавливаемое под бункером. С помощью данного аппарата можно регулировать темп разгрузки.

Конструкция вибромельниц основана на эффекте вибровоздействия мелющих шаров на измельчаемый продукт на торовой поверхности (мельницы периодического действия) либо в камере на перфорированной поверхности (мельницы непрерывного действия.

Вибропромыватели предназначены для отмывки кусковых материалов размером до 300 мм.  Отмывка происходит благодаря перемещению продукта в ванне с водой. В конце желоба, по которому перемещается продукт, имеется участок подъема, на котором при выходе материала из ванны куски домываются водой из форсунок и обезвоживаются на сетчатой поверхности.

 Такие установки используются при мойки моркови, свеклы, яблок, картофеля и т.п.

Сушилки вибрационные конвектиные предназначены для сушки нагретым воздухом.

Вибрационные конвейеры-охладители предназначены для охлаждения сыпучих продуктов. Охлаждение происходит либо наружным воздухом, продуваемым через слой продукта, либо водой, подаваемым в соответствующие емкости и рубашку. Производительность охладителей зависит от температурных параметров продукта и уточняется для конкретных условий.

Действие тепломассообменных вибрационных установок основано на нескольких эффектах, возникающих при действии вибрации. Этими эффектами являются: направленное виброперемешивание сыпучих и кусковых материалов в воздушной и жидкой средах, интенсивное виброперемещивание частиц в слое с образованием виброожиженного и виброкипящего слоя.

Для проведения массообменных процессов (сорбция, экстракция, кристаллизация, обезжиривание, промывка) в непрерывном и периодическом режиме в системе твердое тело – жидкость разработаны вибрационные реакторы, экстракторы, установки контактирования твердой и жидкой фаз.

Классификация виброэкстракторов 

 

Горизонтальный виброэкстрактор  имеет рабочий орган трубчатой формы, куда одновременно в непрерывном режиме подаются твердый продукт и нагретая жидкость. Такими экстракторами оснащены линии по переработке кости на жир и муку.

В вертикальном экстракторе продукт перемещается по винтовому желобу по зоне, куда подается нагретая жидкость от патрубка загрузки до патрубка разгрузки. Экстрактор позволяет реализовать прямоточный и противоточный режимы работы.  Используется в получении жира из костей, позволяет сократить время извлечения жира (ранее используемом методом ) с 6 часов до 5 – 6 мин в виброэкстракторе. При этом увеличивается количество получаемого жира [1,4].  В соответствии с общими кинетическими закономерностями процессов в пищевой технологии, скорость протекания процесса экстрагирования прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна диффузионному сопротивлению.

Диффузионное сопротивление при экстрагировании складывается из сопротивлений основных стадий процесса -  переноса целевого компонента  непосредственно в объеме самой жидкости к поверхности и в окружающую её жидкость. Уменьшить диффузионное сопротивление можно путем увеличения  кинетических коэффициентов диффузии и массоотдачи и уменьшением размера частиц экстрагируемого объекта [2.3].

Увеличение коэффициента диффузии возможно только повышением температуры процесса или воздействием на внутреннюю структуру объекта.

Увеличить  значение коэффициента массоотдачи можно различными способами. В настоящее время распространение получили методы, основанные на использовании различного вида силовых полей: ультра- и инфразвуковое излучение, электрофизическое, электрохимическое, вибрационное и т.п. [2,3].

Сократить продолжительность настаивание и интенсифицировать технологический процесс можно за счет наложения вибрационного поля низкочастотных механических колебаний на взаимодействующие фазы.

При этом создаётся активный гидродинамический режим, значительно сокращается металло – и энергоемкость оборудования.

При воздействии низкочастотных механических колебаний в процессе экстрагирования  участвует вся поверхность экстрагируемого вещества, происходит интенсивное обновление межфазной поверхности. Аппараты, в которых используются  низкочастотные колебания, характеризуются высокой эффективностью массообмена при большой удельной производительности, что объясняется тем, что подводимая внешняя энергия может равномерно, или в заранее заданном режиме, распределяется по перечному сечению и высоте аппарата, и нужным образом влияет на поле скоростей взаимодействующих фаз[2,5].

В разработанной экспериментальной модели вибрационного экстрактора, в отличие от других вибрационных экстракторов, низкочастотные воздействия создаются колебательным движением вибрационной лопасти, а не наложением вибрационных колебаний на корпус аппарата.

Мы с целью увеличения выхода целевого продукта изменили вибрационную насадку (лопасть) рис.2. Измененная вибрационная насадка изготовлена из нержавеющей высокопрочной стали в виде двух дисков  диаметром  7 см,  с перфорированными отверстиями диаметром 3 мм  расположенные на расстояние 10 мм

Рис.1 - Лабораторная установка состоит из 1 – электромагнитного вибрационного привода; 2 – экстракционной камеры; 3 - датчиков ускорения в 2  - х режимах; термостата; рабочей лопасти

Рис. 2 – Вибрационная насадка

Поскольку  доставка, приемка, хранение и фильтрование проводились общепринятыми методами, то основная часть наших исследований состояла не только в отработке оптимальных режимов экстрагирования, но и в стабилизации антоцианов, нами были исследованы стабилизаторы (1-ая серия экспериментов была проведена с 1% раствор НCl при помощи 55 и 60 %, при температуре экстрагирования 60 °С;  2-ая серия экспериментов с 1 % яблочной кислотой 45 - 50%  этиловым спиртом –3 серии по 30 мин в  вибрационном экстракторе при температуре 50°С,  при помощи низкочастотного вибрационного воздействия в диапазоне 20 – 50 Гц).

В качестве стабилизаторов антоцианов использовали хлороводородную и яблочную кислоту. С точки зрения пищевой безвредности яблочная кислота  наиболее  подходить по сравнению с HCl  и является хорошим антиоксидантом, а наиболее полного извлечения антоцианов добивались, варьируя процентной концентрацией этилового спирта и температурным параметром. Стабилизация антоциановые пигментов черной смородины является достаточно важной проблемой. Наибольшая стабильность отмечается при рН ниже 3.  При экстрагировании антоцианов из выжимок черной смородины использовали 1%-й раствор яблочной кислоты, позволяющий проводить процесс экстрагирования при значении рН 2,95.

Степень экстракции (СЭ, %) антоцианов рассчитывали по формуле:

СЭ = (А/В)× 100                                          (1)

где А и В  - содержание антоцианов мкг в экстракте и навеске выжимок.

Рис. 3 - Зависимость СЭ антоцианов  от интенсивности колебаний (ά) в зависимости от температуры: 1-40°С,2-45°С, 3-50°С, 4-55°С, 5-60°С, 6-65°С; длительности, мин: 1,6 - 5, 2-10, 3-30 4-15, 5-20;рН: 0,7 – 1,2,1,5 – 4,5, 2,5 – 3, 2 - 6.

Для учета комплекса технологических свойств сырья, режимных и энергетических параметров используют показатель, характеризующий эффективность вибрационного воздействия – коэффициент интенсивности процесса, Y

Y = С/ N×t                                                   (2)

где С – количество извлекаемых сухих растворимых веществ, % от содержания в сырье; t - продолжительность экстрагирования до равновесной концентрации, мин; N – мощность, подводимая к  электродвигателю, Вт.

Получены предварительные экспериментальные данные влияния концентрации этанола, температуры и стабилизатора  на   процент выхода сухих веществ.

Рис. 4 - Динамика  извлечения сухих растворимых веществ 50% этанолом: 1 – традиционный метод, со стабилизатором 1% HCl; 2 –  стабилизатор 1 % яблочная кислота 45 - 50%  этиловый спирт в вибрационном экстракторе с дисковой вибронасадкой; 3 - 60 % этанол, при температуре экстрагирования 60 °С, с вибрационной насадкой в виде призмы

Наибольший выход сухих веществ при экстрагировании 55 – 60% этанолом при температуре экстрагирования 60 °С, с вибронасадкой в виде призмы и в качестве стабилизаторов  антоцианов 1% яблочной кислоты.

При исследование шрота оказалось, что в нем еще присутствуют антоцианы, что является поводом для дальнейших исследований.  Кроме того необходимо, определить влияние частоты колебаний и амплитуды на процент выхода сухих веществ; определить влияние частоты колебаний и амплитуды на коэффициент интенсивности процесса экстрагирования. Необходимо экспериментально установить и другие параметры интенсифицирующие процесс экстрагирования антоцианов из выжимок черной смородины, чтобы составить технологическую схему получения антоцианов, доработать конструкцию, разработать и предоставить схему полупромышленного вибрационного экстрактора.

Заключение

В результате выполненного этапа работ с целью увеличения выхода целевого продукта изменили вибрационную насадку (лопасть) рис.2. Измененная вибрационная насадка изготовлена из нержавеющей высокопрочной стали в виде двух дисков  диаметром  7 см,  с перфорированными отверстиями диаметром 3 мм  расположенные на расстояние 10 мм.  Не менее важная часть наших исследований состояла не только в отработке оптимальных режимов экстрагирования, но и в стабилизации антоцианов, были исследованы стабилизаторы (1-ая серия экспериментов была проведена с 1% раствор НCl при помощи 55 и 60 %, при температуре экстрагирования 60 °С;  2-ая серия экспериментов с 1 % яблочной кислотой 45 - 50%  этиловым спиртом –3 серии по 30 мин в  вибрационном экстракторе при температуре 50°С,  при помощи низкочастотного вибрационного воздействия в диапазоне 20 – 50 Гц).

При исследование шрота оказалось, что в нем еще присутствуют антоцианы, что является поводом для дальнейших исследований.  Кроме того необходимо, определить влияние частоты колебаний и амплитуды на процент выхода сухих веществ; определить влияние частоты колебаний и амплитуды на коэффициент интенсивности процесса экстрагирования. Необходимо экспериментально установить и другие параметры интенсифицирующие процесс экстрагирования антоцианов из выжимок черной смородины, чтобы составить технологическую схему получения антоцианов, доработать конструкцию, разработать и предоставить схему полупромышленного вибрационного экстрактора.

Наибольший выход сухих веществ при экстрагировании 55 – 60% этанолом при температуре экстрагирования 60 °С, с вибронасадкой в виде призмы и в качестве стабилизаторов  антоцианов 1% яблочной кислоты.

Разработка технологии получения антоцианов и других БАС, и усовершенствование конструкции  требуют дальнейших экспериментальных исследований.

Литература

1. Варсанофьев В.Д., Колман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. – М.: Химия,1985. - с. 32.
2. Членов В.А., Михайлов н.в. Виброкипящий слой. – М.: Наука, 2001. – 67с.
3. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемешивание. – М.: Наука. 1964. – 43с.
4. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Машингостроение, 1976.
5. Зайцев Е.Д. Интенсификация гидромеханических  и тепломассообменных процессов при вибрировании и их аппаратурное оформление. Автореф. дисс.. д-ра тех. наук. – М.,1997,43.

Refernces

1. Varsonofiev V. D., Coleman-Ivanov E. E. Vibration technique in the chemical industry. – M.: Chemistry,1985. - S. 32.
2. Members of the V. A., Mikhailov A. V. Vibracije layer. – M.: Nauka, 2001. – S.
3. Blekhman I. I. Janelidze G. Y. Vibrational mixing. – M.: Nauka. 1964. – 43C.
4. Processes and devices of food manufactures. M: Mashinostroenie, 1976. 5.Zaitsev D. E. Intensification of hydro-mechanical and heat and mass transfer processes when vibrating and their instrumentation. Author. Diss.. Dr. of technical Sciences. – M.,1997,43.
5. Zajcev E.D. Intensifikacija gidromehanicheskih  i teplomassoobmennyh processov pri vibrirovanii i ih apparaturnoe oformlenie. Avtoref. diss.. d-ra teh. nauk. – M.,1997,43.