STUDY OF KINETICS IN THE PROCESS OF EXTRACTION TECHNOLOGY OF COMPLEX CITRUS FRUITS PROCESSING
Abstract and keywords
Abstract (English):
The influence of the main factors on the output of dry substances in the process of extraction from pressed lemon skins in production of soft drinks based on citrus. The limit values of the duration of the processing and impact factors, which could provide the high quality of the aqueous extract and the high degree of extraction of dry substances, are found. The temperature of the extraction process has been experimentally substantiated, the dependence of the change in the efficiency of the extraction process on the particle size has been fixed.

Keywords:
solid-phase extraction, kinetics of extraction, aqueous extract of lemon, soft drinks
Text
Введение Продукты и препараты, изготовленные из растительного сырья, оказывают наибольший терапевтический эффект на организм человека. В России, как и в других странах, отмечается устойчивое повышение интереса к пищевым продуктам и лечебно-профилактическим препаратам из экологически безопасного сырья. Этот интерес проявляется, в частности, в ежегодном увеличении потребления натуральных соков и сокосодержащих напитков. Известны безалкогольные непрозрачные напитки на основе соков цитрусовых – «Золотистый», «Золотистый апельсиновый», «Грейпфрут», «Лимон-лайм», которые пользовались высоким спросом в 80–90-е гг. XX в. [1]. Все более популярными в последние годы на российском рынке становятся сокосодержащие, витаминизированные газированные напитки: холодный чай, энергетические и спортивные напитки, натуральные лимонады. Высокие темпы увеличения продаж обозначенных новых категорий продуктов указывают на значительный потенциал у этого сегмента рынка напитков. Успешное решение проблемы охраны биосферы, снижение отрицательного влияния индустриализации на состояние природной среды и многие другие глобальные проблемы непосредственно связаны с разработкой эффективных методов комплексной переработки растительного сырья. Кроме того, при производстве газированных напитков из цитрусовых целесообразно использовать не только сок, но и экстракт выжимок и цедры для дополнительного улучшения вкуса – придания горечи. В процессах экстрагирования удаление экстрагента из продуктов экстракции, т. е. его регенерация, почти всегда необходимо не только для его повторного использования, но и для получения свободных от экстрагента продуктов. Во многих случаях стоимость регенерации экстрагента составляет большую часть стоимости всего процесса разделения. С другой стороны, при условии создания технологии переработки и соответствующего конкурентоспособного ассортимента товаров (например, сокосодержащих напитков с использованием водного экстракта лимона [2]), возможно избежать операции регенерации или удаления экстрагента. Таким образом, представляется актуальным создание технологии комплексной переработки плодов лимона, включающей в себя не только выжимку сока, но и экстрагирование водой комплекса ароматических и других веществ из выжимок и получение таким образом водного экстракта лимона, который в дальнейшем можно использовать при производстве напитков, соков, конфет, десертов, мучных изделий, сиропов, молочных продуктов (йогурты, кефир, фруктовое мороженое и др.) [3, 4]. Исследование процесса экстракции сухих веществ из капиллярно-пористых тел растительного происхождения (плоды и овощи) на примере лимона проводилось с целью выявить основные факторы, влияющие на скорость этого процесса, и определить их оптимальные значения с учетом технологических ограничений, обусловленных структурой и внутренним строением обрабатываемого объекта. Экстракция из растительной ткани – сложный физико-химический процесс. Частицы растительного сырья можно определить как анизотропные тела, имеющие неодинаковое строение в разных направлениях. Анизотропия проявляется в наличии регулярных капиллярных ходов между замкнутыми, полупроницаемыми перегородками в областях с относительно одинаковыми свойствами – растительными клетками. Стенка растительной клетки представляет собой твердый скелет из целлюлозных волокон, на котором формируются липидно-углеводные слои, обеспечивающие всей этой системе свойства мембраны с избирательной проницаемостью. Процесс экстрагирования представляет собой проникновение молекул одного вещества в другое с последующим самопроизвольным выравниванием концентрации молекул этих веществ в обеих фазах, т. е. в диффузии. Но при экстрагировании растительного сырья, кроме простой диффузии, наблюдаются также осмос и диализ. Процесс экстрагирования из квазитвердых тел растительного происхождения в имеющихся источниках описан недостаточно, математические зависимости кинетики его протекания получены только для конкретных объектов обработки с учетом технологических ограничений [5]. Известно, что на полноту и скорость экстракции из твердого тела влияют форма и размер частиц, температура и продолжительность процесса (экспозиция), соотношение между количеством сырья и экстрагента, гидродинамические условия в аппарате, но влияние это неоднозначно [5, 6]. Объектом экспериментов являлся лимон сорта Citrus limon lunario, экстрагент – дистиллированная вода, способ экстракции – статический одноступенчатый (мацерация). Количество сухих веществ в экстракте определяли рефрактометрическим методом с использованием рефрактометра ИРФ 454-Б2М по ГОСТ 28562–90, отсчет производили по шкале сухих веществ, несмотря на то, что она не фиксирует истинное содержание сухих веществ в экстракте, а определяет концентрацию сухих растворимых веществ, сухой остаток примерно можно определить при помощи переводных коэффициентов. Тем не менее эти данные позволяют судить о кинетике процесса экстрагирования. Диапазоны варьирования факторов были выбраны следующими: температура экстракции –15–95 ºС, средний размер частиц – 2–3 и 7–10 мм; соотношение экстрагент : продукт – 5 : 1; экспозиция – 15 минут – 3 часа. Повторность опытов трехкратная. Продолжительность процесса экстрагирования обоснована экспериментально анализом кинетической кривой процесса – зависимости скорости процесса экстрагирования от времени. Скорость экстракции определяли как отношение приращения концентрации сухих веществ ΔСВ, %, ко времени их извлечения τ. Определение концентрации СВ проводилось с шагом в 5 минут. На основании этих данных построена кинетическая кривая экстракции (рис.). Из рисунка видно, что скорость экстракции имеет максимальное значение в первые 15 минут проведения процесса, а затем начинает падать, снижаясь практически до нулевого значения после 60 минут мацерации. Кинетическая кривая наглядно доказывает нецелесообразность использования продолжительной экспозиции. Длительное воздействие экстрагента, особенно при его высоких температурах, нерационально еще и потому, что сопровождается процессами набухания и размягчения частиц сырья, вследствие чего усложняется их дальнейшее отделение от экстракта в процессе его очистки. Доказано также, что степень извлечения выше при использовании процесса 2-стадийной экстракции (бисмацерации) тем же объемом экстрагента и эффективнее одноступенчатой экстракции (1 стадия – СВ = 3 %, 2 стадия – СВ = 0,8 %, 3 стадия – 0,2 % СВ). Кинетическая кривая экстракции сухих веществ из лимона (средний размер частиц 2–3 мм) В результате экспериментальных исследований установлено, что степень измельчения продукта оказывает значительное влияние на эффективность экстрагирования (степень экстракции), что обусловлено внутренним строением плода лимона. Измельчение или нарезка сырья относительно крупными кусками не только уменьшает площадь межфазной поверхности, но и практически полностью сохраняет клеточные стенки и уменьшает число разорванных соковых мешочков, что ведет к снижению коэффициента массопереноса (например, при температуре 15 °С и экспозиции 30 минут для частиц среднего размера 2–3 мм СВ = 2 %, среднего размера 7–10 мм СВ = 1,4 %). Но оптимальный размер частиц выбирается на практике с учетом технологических факторов, т. к. необходимо производить с требуемой скоростью не только процесс экстрагирования (слишком мелкие частицы могут слеживаться, образуя комки, оседающие на дно аппарата), но и процесс дальнейшего разделения фаз отстаиванием, фильтрованием и энергетическими затратами на измельчение твердой фазы. Для успешной диффузии растворимых веществ из растительной ткани необходимо повысить проницаемость клеточных мембран, что достигается посредством их денатурации при повышении температуры. Установлено, что с увеличением температуры возрастает скорость процесса экстрагирования и степень экстракции. Высокие значения температуры дают возможность осуществлять процесс экстрагирования при меньшей экспозиции, меньшей скорости экстрагента и позволяет увеличить извлечение компонента (рис.). Экспериментально установлено, что вблизи точки кипения растворителя (100 ºС) наблюдается резкое увеличение скорости процесса экстрагирования вследствие возникновения конвективной диффузии внутри частиц в результате образования кавитационных пузырьков в растворителе. Но вызванное высокими значениями температуры значительное набухание и гидролиз нерастворимых пектиновых веществ и, как следствие, снижение упругости материала приводят к сложностям при дальнейшем отделении экстракта от отработанного дробленого материала. При значениях температуры свыше 85 ºС масса разваривается, что нарушает технологический процесс. Высокие значения температуры способствуют также переходу в раствор нежелательных компонентов сырья, отрицательно влияющих на вкус (при температуре выше 80 ºС экстрактный раствор имеет ярко выраженный привкус горечи) и приводящих к потере ароматических веществ, что снижает качественные показатели полученного экстракта. Чем выше температура экстракции и продолжительнее процесс экстракции, тем меньше в экстракте сохраняется микроорганизмов, т. е. наблюдается эффект пастеризации. Однако при этом все или большая часть термолабильных биологически активных соединений разрушается, а они в некоторых случаях составляют до 90 % всех активных веществ, извлекаемых из сырья, поэтому температуру в процессе экстракции рекомендуется поддерживать в пределах 70–75 ºС. Заключение Таким образом, экспериментально исследован процесс извлечения целевых компонентов из выжимок лимона экстракцией и определены рациональные значения влияющих на процесс факторов, при которых достигается высокое качество получаемого водного экстракта и высокая степень извлечения сухих веществ. Экспериментально обоснована продолжительность процесса экстрагирования – 30 минут, температура процесса – 70–75 ºС, установлена зависимость изменения эффективности процесса экстракции от размера частиц. Результаты работы могут быть использованы при оптимизации режимов работы экстракторов для получения водного экстракта лимона, который используется в пищевой промышленности при производстве биологически активных добавок к пище и в парфюмерно-косметической промышленности, а также при производстве соков экстракционным методом из свежего сырья и выжимок как полуфабрикатов для производства напитков и других изделий.
References

1. Nekotorye tendencii razvitiya mirovogo rynka koncentrirovannyh sokov: http://md-marketing.ru/articles/html/article22579.html (data obrascheniya 11.09.01).

2. Sposob polucheniya bezalkogol'nogo zhazhdoutolyayuschego toniziruyuschego napitka iz plodov greypfruta: pat. 2073987 Ros. Federaciya: MPK A23L2/00 / Sidorova S. S., Petuhov S. V., Shteynberg V. E. – № 94010464/13; zayavl. 25.03.1994; opubl. 27.02.1997, Byul. № 23 (II ch.). – 3 s.

3. Salmanova A. S. Sposoby polucheniya vysokokachestvennyh rastitel'nyh ekstraktov – istochnikov obogascheniya bezalkogol'nyh napitkov biologicheski aktivnymi veschestvami / A. S. Salmanova. – M.: PNIITEIPischeprom, 1981. – 27 s.

4. Koncentraty dlya pischevoy promyshlennosti, siropy, ekstrakty, nastoi, morsy, likerovodochnaya produkciya: http://www.biok.ru/liq_detail#l46 (data obrascheniya 03.03.2013).

5. Aksel'rud G. A. Ekstragirovanie (sistema tverdoe telo – zhidkost') / G. A. Aksel'rud, V. M. Lysyanskiy. – L.: Himiya, 1974. – 199 s.

6. Orlova E. I. Issledovanie processa ekstragirovaniya iz rastitel'nyh materialov / E. I. Orlova: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. – Har'kov, 1965. – 24 s.