Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние теории и практики экстрагирования растительного сырья 10
1.1. Состояние теории экстрагирования из сочного и сухого волокнистого сырья 10
1.2. Вопросы интенсификации процесса экстрагирования 19
1.3. Современное состояние производства безалкогольных напитков с использованием растительных экстрактов 22
1.4. Краткий обзор процесса электроконтактной обработки пищевых продуктов 23
Краткие выводы по главе 1 25
Глава 2. Теория процесса диффузии в растительном материале и методики экспериментального исследования 27
2.1. Теория процесса диффузии в растительном материале 27
2.2. Методика исследования физико-механических свойств растительных материалов 33
2.3. Методика исследования и расчета коэффициента диффузии из сырья.36
2.4. Методика определения и расчета коэффициента масоотдачи 39
2.5. Методика исследования электрических параметров смеси «растительное сырье — экстрагент» 45
2.6. Методика исследования химического состава экстрактов 46
Краткие выводы по главе 2 49
Глава 3. Экспериментальные установки для проведения процесса экстрагирования и определения коэффициентов диффузии из растительного сырья 50
3.1. Экспериментальная установка для определения коэффициента диффузии из растительного сырья 50
3.2. Экспериментальная установка для проведения совместного экстрагирования нескольких видов растительного сырья 51
3.3. Характеристика аппаратов для экстрагирования из растительного сырья 54
3.4. Экспериментальная установка для электроконтактной обработки растительного сырья 57
3.5. Экспериментальная установка для концентрирования экстрактов под вакуумом 58
Краткие выводы по главе 3 61
Глава 4. Исследование диффузионных свойств растительного сырья и массообмена в процессе экстрагирования в противоточном шнековом экстракторе 62
4.1. Подбор компонентов, входящих в состав смесей для экстрагирования62
4.2. Исследование компонентов, содержащихся в экстрагируемой смеси растительных материалов 67
4.3. Исследование физико-механических свойств сухого волокнистого растительного сырья 71
4.4. Исследование процесса экстрагирования из смесей сухого волокнистого растительного сырья 82
Краткие выводы по главе 4 97
Глава 5. Исследование влияния предварительной электроконтактной обработки смеси растительного сырья и экстрагента на эффективность процесса экстрагирования 98
5.1. Исследование зависимости электрических параметров смеси «растительное сырьё-экстрагент» от температуры 98
5.2. Выделение лимитирующей стадии процесса экстрагирования 113
5.3. Исследование спектр о фотометрических характеристик экстрактов из растительного сырья 121
Краткие выводы по главе 5 122
Глава 6. Математическая модель процесса совместного экстрагирования из волокнистого растительного сырья 125
6.1. Экспериментально-статистическая модель процесса совместного экстрагирования из растительного сырья 125
6.2. Оптимизация процесса получения безалкогольного напитка на основе экстрактов из растительного сырья 129
Краткие выводы по главе 6 138
Глава 7. Практические рекомендации и реализация выполненных результатов исследования 140
7.1. Расчет коэффициента диффузии в растительном материале при совместном экстрагировании сырья 140
7.2. Методика подбора составляющих компонентов экстрагируемой смеси 145
7.3. Методика инженерного расчета электроконтактной форкамеры экстрактора с плоскими электродами 149
7.4. Разработка экстрактора с камерой предварительной электроконтактной обработки растительного сырья 156
7.5. Технологическая схема производства напитков на основе экстрактов из растительного сырья 158
7.6. Расчет экономической эффективности работы экстрактора снащенного камерой для электроконтактной обработки сырья 161
Краткие выводы по главе 7 168
Выводы 170
Литература 173
Приложения
- Вопросы интенсификации процесса экстрагирования
- Методика исследования физико-механических свойств растительных материалов
- Экспериментальная установка для проведения совместного экстрагирования нескольких видов растительного сырья
- Исследование компонентов, содержащихся в экстрагируемой смеси растительных материалов
Введение к работе
В настоящее время у населения России и за рубежом с каждым годом возникает все больший интерес к потреблению исключительно натуральных продуктов питания. При этом серьезное внимание уделяется профилактическим свойствам потребляемых продуктов. Повышение питательной и биологической ценности сиропов и напитков, придание им профилактических свойств обусловлено введением в рецептуру так называемых «функциональных компонентов», к которым относятся экстракты растительного сырья. Для их получения в последние годы в России используют различные виды местного нетрадиционного сырья, которое все более широко применяется в сфере производства сиропов и напитков с повышенной биологической ценностью.
Вместе с тем, в современных условиях постоянно усиливающейся конкуренции, как отечественной, так и зарубежной, необходима разработка ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих максимальное использование сырья и выпуск продукции высокого качества при одновременном снижении материальных и энергетических затрат.
Одним из методов, позволяющих решить указанную проблему, является предварительная подготовка растительного сырья к экстрагированию с использованием электроконтактной обработки. Этот высокоэффективный метод позволяет по-новому построить технологический процесс, повысить производительность оборудования и улучшить качество экстрактов.
Таким образом, проблема повышения интенсивности процесса экстрагирования путем предварительной электроконтактной обработки сырья в смеси с экстрагентом, является актуальной, поскольку ее решение связано с увеличением глубины извлечения целевого продукта, а также со снижением материальных, энергетических и трудовых затрат.
Электроконтактная обработка является перспективным способом подготовки растительного сырья к экстрагированию, так как обеспечивает вскрытие клеточной структуры растительного материала и получение частиц с хорошей проницаемостью. Процесс является непрерывным, управляемым и универсальным. Для подтверждения перспективности этого способа необходимо разработать процесс и экстракционную установку, оснащенную устройством для предварительной электроконтактной обработки. Использование электроконтактной обработки смеси экстрагента и растительного сырья для подготовки к процессу экстрагирования является новым.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является совершенствование процесса экстрагирования целевых компонентов из растительного сырья путем предварительной электроконтактной обработки смеси растительного сырья и экстрагента и разработка способа получения концентратов безалкогольных напитков на основе полученных экстрактов.
В соответствии с поставленной целью, решались следующие задачи:
обоснование выбора определенных видов растительного сырья, входящих в состав смеси для экстрагирования, на основе исследования органолеп- тических показателей получаемых напитков;
изучение физико-механических свойств сухого волокнистого и сочного фруктово-ягодного сырья и получение экспериментальных зависимостей для их определения;
разработка новой методики, позволяющей определять коэффициент диффузии экстрактивных веществ растительного материала на основе проведения двух сопряженных опытов с учетом влагопоглотительной способности материалов;
оценка изменения электрофизических параметров смеси «растительное сырье — экстрагент» в зависимости от температуры;
экспериментальное исследование влияния параметров водно- спиртовой экстракции и водно-спиртовой экстракции с применением предварительной электроконтактной обработки на извлечение целевых компонентов, изменение клеточной структуры и коэффициента молекулярной диффузии из сухого растительного сырья;
разработка комплексного экономического критерия и получение на его основе экспериментально-статистической модели, позволяющей определить оптимальные параметры процесса получения экстракта;
разработка методики определения оптимальных количеств каждого вида растительного сырья, вносимого в экстрагируемую смесь, при соблюдении условия потребления человеком 10% от суточной нормы биологически активных веществ, содержащихся в сырье;
разработка конструкции противоточного экстрактора, оснащенного устройством для предварительной электроконтактной обработки смеси «растительное сырье - экстрагент» и методики инженерного расчета плоскопараллельного электроконтактного нагревателя;
Научная концепция заключается в применении нового способа подвода энергии в процессе предварительной обработки смеси растительного сырья и экстрагента перед его экстрагированием.
Научное положение, выносимое на защиту: обоснован принцип предварительной обработки растительного сырья и экстрагента электроконтактным способом, позволяющий интенсифицировать последующий процесс экстрагирования путем увеличения коэффициента диффузии, а, следовательно, достижения наибольшего выхода целевых компонентов в экстракт, вследствие изменения клеточной структуры растительного материала.
Научная новизна работы заключается в том, что:
установлена теоретическая зависимость коэффициента диффузии от влагопоглощения растительного сырья в процессе экстрагирования в виде расчетного уравнения, позволяющего получить значение коэффициента диффузии на основе проведения двух сопряженных опытов;
установлен механизм применения электроконтактного воздействия в качестве предварительной обработки растительного сырья и экстрагента, позволяющий повысить выход целевых компонентов в процессе экстрагирования, вследствие изменения клеточной структуры растительного материала;
установлено положительное влияние предварительной электроконтактной обработки на кинетику массообмена при экстрагировании, обеспечивающее повышение коэффициента молекулярной диффузии;
установлены закономерности процессов предварительной электроконтактной обработки, экстрагирования и выпаривания в виде комплексного экономического критерия оптимизации, на основе которого получена математическая модель, позволяющая определить оптимальные режимные параметры указанных процессов;
установлена зависимость температуры смеси растительного сырья и экстрагента в камере электроконтактного нагревателя (ЭКН) от продолжительности обработки, межэлектродного расстояния и концентрации спирта в экстрагенте в виде математической модели для исследуемых видов растительного сырья.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
экспериментально обоснован новый способ производства концентрата, для получения безалкогольных напитков; новизна технологического решения подтверждена патентом РФ №2266027 «Способ получения концентрата для безалкогольного напитка»;
разработан способ подготовки растительного сырья к экстрагированию с применением предварительной электроконтактной обработки;
разработана технологическая схема получения безалкогольных напитков на основе экстрактов, полученных из растительного материала, предварительно обработанного в плоскопараллельном электроконтактном нагревателе;
разработанная технологическая схема может быть применена для экстрагирования целевых компонентов из различных видов растительного сырья;
предложенная методика определения количества отдельных видов растительного сырья, вносимых в смесь для экстрагирования, может быть использована в промышленности, при получении экстрактов для новых видов продуктов различного назначения (диабетических, диетических, для детского питания и т.д.);
- экономическая эффективность совершенствования процесса экстрагирования путем оснащения противоточного экстрактора камерой для предварительной электроконтактной обработки, составляет 1712 тыс. руб. в год.
Реализация результатов исследований. Способ получения нового вида напитка функционального назначения на основе растительного сырья подтвердил свою эффективность при проведении производственных испытаний на ЗАО «Пищекомбинат ЭСД», в Кабардино-Балкарской республике, и был рекомендован к использованию на предприятиях по производству безалкогольных напитков.
Вопросы интенсификации процесса экстрагирования
Интенсификация процесса экстрагирования, при правильном учете всех положительных и отрицательных сторон интенсифицирующего воздействия, приводит к сокращению длительности процесса, уменьшению габаритных размеров и металлоемкости оборудования и снижению потерь целевого компонента.
Скорость процесса экстрагирования зависит от следующих факторов: величины движущей силы; скорости каждой стадии процесса; размера, формы частиц и вида слоя, который они образуют; соотношения расхода масс экстрагента и твердых частиц; характера относительного движения твердых частиц и экстрагента; температуры; скорости движения фаз.
Сложный характер взаимодействия факторов, определяющих скорость протекания процессов экстрагирования в системе твердое тело - жидкость, не позволяет установить общий для всех случаев экстрагирования принцип ускорения этого процесса.
Измельчение сырья значительно ускоряет процесс экстрагирования, однако для рационального ведения процесса степень измельчения должна выбираться в зависимости от физических свойств и геометрических форм частиц сырья.
Большое влияние на скорость экстрагирования оказывает повышение температуры. Однако высокий температурный режим может приводить к разложению растительного материала, что ухудшает диффузионную проницаемость ткани, а также приводит к потере вкусовых и ароматических веществ в готовом экстракте.
При увеличении соотношения расхода фаз возрастает движущая сила процесса. Однако излишнее увеличение расхода фаз, свыше определенного предела для каждого конкретного вида сырья, приводит к незначительному росту степени извлечения и существенному разбавлению экстракта, что в свою очередь ведет к увеличению затрат энергии на последующей стадии — процессе выпаривания.
Звуковые и механические колебания вызывают в жидкой среде серию разнообразных эффектов, схожих с эффектами, наблюдаемыми при перемешивании [3]. К числу факторов, способствующих интенсификации, относятся: увеличение скорости обтекания, вследствие чего ускоряется массообмен; ускорение пропитки твердых частиц жидкостью, и ускорение микрокапиллярных процессов; предотвращение экранизации пористых частиц твердыми инертными примесями или продуктами реакции.
Все перечисленные факторы способствуют снижению внешнедиффу- зионного сопротивления и не оказывают значительного влияния на коэффициент диффузии. Фундаментальные исследования тепло- и массообмена в звуковом поле были выполнены В.Е. Накоряковым, А.П. Бурдуковым, A.M. Болдаревым, П.Н. Терлеевым [3].
Наложение ультразвуковых колебаний способствует некоторому увеличению коэффициента внутренней диффузии, поскольку возникают характерные кавитационные эффекты, влияющие на структуру пористых тел.
По данным некоторых исследователей [3] строение диффузионного слоя, в результате наложения ультразвуковых колебаний, изменяется. Различаются места с наибольшей и наименьшей плотностью растворенного вещества, вследствие чего, выделение целевых компонентов происходит неравномерно. Также было отмечено, что применение ультразвуковых колебаний целесообразно для интенсификации переноса вещества в крупнопористых объектах. Кроме того, использование ультразвукового излучателя в экстракторе, не всегда рентабельно.
Интенсификация процесса экстрагирования возможна с применением высоковольтных разрядов в жидкости, позволяющих преобразовать электрическую энергию в энергию колебательного движения жидкости. В основе этого метода лежит теория точечного взрыва, при котором энергия взрыва выделяется в центре сферического объема, а также теория о плоском взрыве, в условиях которого колебательный процесс распространяется в направлении перпендикуляра к плоскости взрыва. Исследования ряда авторов [3, 73, 113] показали увеличение коэффициента массоотдачи, однако внутридиффузион- ное сопротивление не снижается.
Перспективным направлением в решении вопроса интенсификации процесса экстрагирования растительного сырья является его предварительная обработка электроконтактным методом. Данный метод будет рассмотрен ниже, более подробно.
В настоящее время во многих регионах Российской Федерации сложилась неблагоприятная экологическая обстановка. Загрязнение окружающей среды, в том числе пищи, воды и воздуха чужеродными соединениями способствует постоянному их присутствию в организме, что в свою очередь ухудшает состояние здоровья населения. В связи с этим на первый план выходит проблема повышения биологической и пищевой ценности продуктов питания, рационального использования сырьевых ресурсов и производства новых видов продукции с широким спектром физиологического действия.
Одним из продуктов, который употребляют все без исключения возрастные группы населения, являются напитки. В настоящее время актуальной задачей является повышение биологической и пищевой ценности данного продукта. В качестве обогатителей напитков используют экстракты лечебных трав, а также различные комплексы витаминов и минеральных веществ, повышающих защитные свойства организма по отношению ко многим болезням.
Получение экстрактов из нетрадиционных видов растительного сырья и обогащение ими напитков имеет большую народнохозяйственную значимость и обеспечивает возможность получения доброкачественных напитков лечебно-профилактического назначения.
Кабардино-Балкарская республика с ее благоприятными природно- климатическими условиями является одной из наиболее перспективных для промышленных заготовок нетрадиционного лечебного растительного сырья. Растительный мир Кабардино-Балкарии богат и разнообразен. Из известных для всего Кавказа 6000 видов цветковых растений около половины их произрастает в КБР в диком виде.
Методика исследования физико-механических свойств растительных материалов
Таким образом, для расчета основных диффузионных констант по уравнению (2.20), необходимо определить основные физико-химические характеристики сочного и сухого волокнистого сырья - содержание в нем растворимых веществ, форму и размеры частиц, способность влагопоглощения и набухания.
Для составления материального баланса и определения концентрации растворимых веществ в жидкости, заполняющей поры твердой фазы, необходимо определить содержание веществ в растительном материале, которые способны растворятся в экстрагенте. Содержание растворимых веществ определялось в практически значимом диапазоне температур 50-70С.
Определение содержания растворимых веществ в растительном материале проведено согласно следующей методике [92]. Около 2г пробы сырья измельчалось в порошок. Точная навеска измельченного материала засыпалась в коническую колбу с хорошо притертой пробкой, заливалась 100г (с точностью до 0,1 г) воды, подогретой до температуры опыта, и помещалась в термостат, где выдерживалась в течение трех часов при периодическом интенсивном взбалтывании. Полученный экстракт фильтровали через складчатый фильтр в сухую колбу. Отбиралось около 25г отфильтрованного экстракта и высушиванием до постоянной массы определялась концентрация в нем растворимых веществ С [%]. Содержание растворимых веществ в растительном материале Xрассчитывалось по следующему уравнению: Х = (С-Ш)1{т{\- р)), где т - масса навески сырья, г; (р - влажность исследуемого материала. При математическом описании процесса форму частиц условно приводят к одной из классических: неограниченной пластины, неограниченного цилиндра или шара — для которых получены решения задач тепло- и массо- обмена.
Для измельченного и отпрессованного сочного сырья представляется возможным привести форму их частицы к неограниченной пластине, эквивалентным размером которой является половина их толщины.
Для корней сухого волокнистого сырья наиболее приемлемым будет приведение формы их частиц к неограниченному цилиндру, эквивалентным размером которого будет его радиус. Измельченные частицы трав представляют собой смесь обломков листьев, лепестков и стеблей. Листья и отнесенное к ним незначительное количество лепестков, а также измельченных соплодий можно рассматривать как неограниченную пластину. Стебли, первоначально представляющие собой полый цилиндр, при измельчении расщепляются на ряд частей, имеющих в сечении форму кольцевого сектора, что позволяет рассматривать их при математическом описании как образцы неограниченной пластины.
Выражение для определения эквивалентного размера полидисперсной смеси частиц имеет следующий вид [4, 5, 79, 111]: (2.25) где Яп - характерный размер п-ой фракции; gn - массовая доля частиц, обладающих этим размером. (2.24) Для анализа состава материалов производилось визуальное измерение размеров частиц с последующим распределением их на фракции. Измерения производились на биологическом исследовательском микроскопе МБИ-15. Срез частицы устанавливался перпендикулярно объективу в капельке расплавленного парафина. Толщина листа определялась по количеству делений окуляра, который градуировался объект-микрометром проходящего света ОМП. По известным цене деления и их количеству определялась толщина листа 2/?: 2 Я = х-а, (2.26) где х - количество делений окуляра; а - цена деления окуляра, мм. В процессе экстрагирования сухого волокнистого растительного сырья под термином «набухание» подразумевается совместный процесс влагопог- лощения и изменения размеров. Для определения коэффициента диффузии и решения других массообменных задач требуется как количественная характеристика поглощаемой материалом влаги, так и величина изменения размеров его частиц. Для описания размеров частиц введено понятие коэффициент набухания а [92], который соответствует отношению текущего значения определяющего (эквивалентного) размера частиц /?э к его начальному значению тогда: Я0 = аЛ0о, (2.27) Задачей исследования процесса набухания (изменения размеров частиц) является раскрытие функциональной зависимости коэффициента набухания от времени и температуры процесса.
Определение коэффициентов набухания стеблей, листьев и корней растительных материалов производилось с помощью диапроектора, настроенного на десятикратное увеличение. Изображение частицы проецировалось на экран из миллиметровой бумаги, и по количеству делений определялась ее начальная толщина. Частица помещалась в термостатируемый сосуд и выдерживалась при температуре опыта заданное время. После этого аналогично определялось текущее значение ее толщины и рассчитывался коэффициент набухания. 2.3. Методика исследования и расчета коэффициента диффузии из сырья
Широкое применение при расчете процесса экстрагирования находит методика определения коэффициента диффузии из растительного сырья, основанная на интервальном методе расчета [3, 4, 73, 76, 92]. При этом экстракционные кривые разбиваются на интервалы, а пробы экстракта отбираются через такие промежутки времени, чтобы они могли служить временными интервалами при расчете процесса. В данной работе указанная методика используется при расчете процесса раздельного экстрагирования смеси трав, смеси корней, а таюке для расчета коэффициента диффузии при экстрагировании из сочного растительного сырья. На рис. 2.1 изображены участки экстракционных кривых. Скачок концентрации в жидкой фазе в точке отбора пробы является следствием замены отбираемого экстракта чистым экстрагентом В данном эксперименте определяется концентрация жидкой фазы С. Извлекаемые из растительного сырья растворимые вещества представляют собой смесь биологически активных соединений сложного химического состава, поэтому качественным показателем каждого из экстрактов будет служить количество экстрактивных веществ, определяемое рефрактометрическим методом. В экстракционном производстве состав фаз принято выражать в массовых концентрациях (СВ%), представляющих процентное отношение массы растворимых веществ ко всей массе экстракта. Расчет коэффициента диффузии выполняется по следующей методике [92]. Определяется количество чистого экстрагента в порах твердой фазы ЙР,- к концу /-го интервала: Рис. 2.1. К расчету коэффициента диффузии (2.28) где 7,- - значение коэффициента влагопоглощения к концу /-го интервала; (р - влажность материала, равная отношению остаточной влаги в загружаемом материале к массе материала; Сг - масса навески сырья, загружаемого в диффузионную камеру, г; Коэффициент влагопоглощения q = /(т, характеризует собой количество влаги, поглощенное к данному моменту времени единицей массы абсолютно сухого материала, и функционально зависит от времени влагопоглощения т и температуры процесса Количество чистого экстрагента Мг в жидкой фазе к концу /-го интервала составит: (2.29) где — масса жидкости, поступающей в диффузионную камеру в качестве экстрагента, г; С 0 - начальная концентрация растворимых веществ в экстра- генте, %; - масса чистого экстрагента, отбираемого в конце /-го интервала для определения концентрации жидкости (ввиду незначительного количества, невысокой концентрации и плотности, близкой к единице, принимается численно равной объему отбираемого экстракта), г; V - масса чистого экстрагента, добавляемого в конце каждого /-го интервала вместо отобранного экстракта, г.
Экспериментальная установка для проведения совместного экстрагирования нескольких видов растительного сырья
Экспериментальная установка представляет собой горизонтальный шнековый экстрактор, общий вид и схема которого приведены на рис. 3.2. Экстрактор имеет горизонтальный корпус 2, в начале которого расположен ситовой пояс 10 и загрузочный бункер 11. На корпусе имеется греющая рубашка 14, а в конце - вертикальный корпус 4. Внутри корпусов имеются транспортирующие устройства - шнеки 3. Шнеки приводятся во вращение от привода 1. В качестве привода применяется электродвигатель постоянного тока, редуктор и ряд цепных передач. Шнек вертикального корпуса вращается через цепную передачу 17, горизонтальный вал 18 и коническую шестеренчатую передачу 19. Для регулирования количества оборотов транспортирующих устройств имеется щит управления 8. Привод включает электродвигатель мощностью 0,4кВт; выпрямитель; регулятор напряжения 20 и редуктор 21с передаточным числом I = 30 — 50. Такой привод позволяет изменять время экстрагирования в широких пределах.
Для поступающего в экстрактор экстрагента имеется два сосуда, в которых можно приготавливать и подогревать экстрагенты с различными свойствами. Экстрагент из сосудов поступает в приемную воронку 5, перед которой устанавливается ротаметр для измерения расхода поступающего экстрагента. Измельченный материал поступает в бункер 11 экстрактора и транспортирующим устройством 3 перемещается вдоль экстрактора противоточно экстрагенту. В верхней части корпуса установлены лючки 13, закрывающиеся резиновыми пробками, с установленными в них термометрами.
В конструкции лабораторного экстрактора для повышения равномерности перемещения фаз установлены направляющие планки внутри корпусов и предусмотрен определенный угол наклона витков шнека транспортирующего устройства.
Лабораторный горизонтально-шнековый экстрактор пара или горячей воды из термостата. Температуры измеряют по длине экстрактора с помощью термометров, установленных в лючках 13. Температурный режим можно поддерживать на любом уровне.
Сырье, подлежащее экстрагированию, загружают в бункер 11 периодически при помощи мерной емкости. Коэффициент заполнения экстрактора обычно принимают 0,5 - 0,7. Циклом процесса экстрагирования называется время нахождения экстрагируемого материала в экстракторе от места его загрузки до удаления из экстрактора.
Количество экстрагента зависит от рода сырья и его качества. Для сочных материалов соотношение твердой и жидкой фаз (Т:Ж) составляет 0,5 - 1,2, то есть 50 - 120% по отношению к сырью. Для различных растительных сухих материалов это соотношение составляет 1,5-5, то есть количество экстрагента по отношению к сырью составляет 150 - 500%.
При экстрагировании сухих материалов необходимо к расчетному количеству поступающего в экстрактор экстрагента добавлять количество экстрагента, идущего на увлажнение сырья в аппарате. Обычно это количество составляет 55 - 60%, так как средняя начальная влажность сырья составляет около 10%, а конечная - 65 - 70%.
Для измерения температуры экстракта установлен потенциометр 7. Общее гидродинамическое сопротивление слоя материала можно измерять при помощи дифманометра, присоединяющегося к штуцеру в нижней части вертикального корпуса. Экстракт отбирается через ситовой пояс 10, а экстрагируемый материал удаляется через лоток 16.
В различных отраслях пищевой промышленности применяются экстракторы периодического, полунепрерывного и непрерывного типа. Периодически действующие экстракторы это настойные чаны, экстракторы с рециркуляцией (перколяторы), виброэкстракторы; экстракторы, работающие под вакуумом; экстракторы ступенчатого или батарейного типа, состоящие из соединенных между собой диффузоров.
Экстракторы непрерывного действия классифицируются следующим образом: колонные экстракторы (одно-, двух- и многоколонные); горизонтальные и наклонные (шнековые и лопастные); ротационные экстракторы: с корпусом, вращающимся вокруг горизонтальной оси (одноходовые и двухходовые); с корпусом, вращающимся вокруг вертикальной оси; оросительные экстракторы (ленточные, ковшовые, лопастные, шнековые); аппараты с кипящим и виброкипящим слоем.
Колонные экстракторы находят применение в маслоэкстракционной, ферментной и сахарной отраслях пищевой промышленности. Применение таких аппаратов ограничено, так как они имеют ряд недостатков: необходимость большой высоты здания, наличие длинной цепной транспортной системы, обрыв которой приводит к длительным остановкам аппарата, недостаточность гидростатического напора для фильтрации жидкости, что снижает производительность; большая металлоемкость.
Экстрактор состоит из горизонтального корпуса 5, имеющего две рубашки 4 для подогрева содержимого в аппарате и транспортирующего устройства 13, состоящего из витков шнека 11, на которых установлены лопасти 12. В аппарате имеется ситовой пояс 2, питатель 7 с рыхлителем 6, бункер 3, вертикальная колонна 8, внутри которой имеется перфорированный элеватор 10 и лоток 9 для удаления отработанного материала 4. Для наблюдения за параметрами процесса экстрагирования установлены термометры 15, краны 16 и смотровые стекла 17.
Наклонные экстракторы применяются в основном двух типов: однош- нековые и двухшнековые. Наклонный противоточный одношнековый экстрактор имеет горизонтальную и наклонную части. Последняя расположена к горизонтали под углом 17 и обеспечивает непрерывную разгрузку отработанного растительного сырья. Экстрактор имеет шнековый вал, который также состоит из горизонтальной и наклонной частей и крепится к корпусу на подвесных подшипниках. Горизонтальная часть вала укомплектована прерывистым шнеком. Рубашка для теплоносителя должна обеспечить перепад температур по длине экстрактора от 43С на входе экстрагента до 55С на выходе экстракта.
Двухшнековый наклонный аппарат (рис.3.4) имеет ю-образный корпус, установленный под углом 8-11 к горизонту, внутри которого расположены два шнека, вращающиеся навстречу друг другу. К преимуществам этого типа аппаратов необходимо отнести небольшую металлоемкость конструкциями, небольшой расход электроэнергии на привод транспортирующих устройств. К их недостаткам следует отнести рециркуляцию свекловичной стружки внутри аппарата и сложность привода.
Исследование компонентов, содержащихся в экстрагируемой смеси растительных материалов
Выше было изложено, что нами выбраны две композиции растительного сырья для производства напитков функционального назначения. Первая включает смесь травы душицы, шалфея, эстрагона, мяты перечной, соплодий ольхи и смесь корней девясила, аира и алтея. Напиток изготовляется на основе экстракта из плодов айвы. Основными экстрактивными веществами смеси трав являются витамины С, РР, биофлавоноиды (витамин Р), эфирные масла, каротин, для смеси корней целевыми компонентами являются инулин, горечи, эфирные масла [20, 31, 80, 88, 124, 128, 129]. Использование в качестве основы напитка экстракта айвы повышает пищевую ценность напитка и придает ему приятный освежающий вкус[124].
Входящая в смесь трава душицы содержит эфирное масло, в состав которого входит тимол и карвакрол, сесквитерпены, аскорбиновую кислоту и флавоноиды [31, 59, 61, 88, 124]. Шалфей содержит эфирное масло, цинеол, борнеол, флавоноиды, дубильные вещества, фитонциды, витамины Р, РР [31, 60, 61, 88, 124, 129]. Мята перечная богата органическими кислотами, терпе- новыми соединениями, флавоноидами, каротином, эфирным маслом, которое содержит ментол [20, 31, 49, 93, 124, 128]. Эстрагон содержит эфирное масло, минеральные соли, каротин, рутин [88, 120, 128, 129]. Соплодия ольхи содержат танин, флавоноиды, кофейную и аскорбиновую кислоту [20, 80, 124, 128]. Корни девясила, аира и алтея содержат слизистые вещества, эфирные масла, горькие гликозиды, смолы, дубильные вещества, аскорбиновую кислоту, а также инулин [88, 124, 128].
Экстракт предложенной композиции растений обладает противовоспалительным, обволакивающим, вяжущим, обезболивающим, спазмолитическим, антимикробным, крововосстанавливающим действиями [20, 31, 80, 88, 124, 128, 129]. Анализ аналитических данных показывает, что полученный напиток можно применять для профилактики заболеваний желудочно- кишечного тракта (гастрита, гастроэнтерита, энтероколита), печени и желчных путей [20, 80, 88, 103, 128].
Вторая композиция состоит из смеси травы зверобоя, травы мелиссы, липового цвета и корня цикория, при этом основой напитка является экстракт плодов унаби.
В состав травы зверобоя и мелиссы входят биофлавоноиды, дубильные вещества, аскорбиновая кислота, листья мелиссы содержат кофейную кислоту, а в траве зверобоя также обнаружен каротин и витамин РР [20, 60, 61, 80, 124]. Липовый цвет богат эфирными маслами, флавоноидами, дубильными веществами, аскорбиновой кислотой и каротином. Корни цикория содержат до 15% Сахаров, в том числе инулина, горькие и смолистые вещества, дубильные вещества, флавоноиды, эфирные масла, гиперицина 0,05 - 0,1 %, ка- ротиноиды, органические кислоты, гликозид интибин, витамины группы В, С, каротин [80, 88, 103, 124]. Экстракт корней цикория применяется как средство, улучшающее обмен веществ, при общем упадке сил [20, 88, 124, 128, 129].
Кофейная кислота, содержащаяся в траве мелиссы, обладает антибактериальной, антиоксидантной и мембраностимулирующей активностью, защищает от окисления липиды и стимулирует иммунитет. В состав эфирного масла мелиссы входит цитраль, оказывающий болеутоляющее и противовоспалительное действие [20, 59, 61, 80, 128].
Дубильные вещества денатурируют белки клеток с образованием защитной пленки, оказывая на микроорганизмы бактерицидное или бактерио- статическое действие.
Действие каротина, в основном, сходно с действием ретинола (витамина А) и полагают, что оно частично связано с антиоксидантной активностью. В качестве природного антиоксиданта каротин защищает организм от канцерогенного воздействия агрессивных прооксидантов - активных форм кислорода и свободных радикалов, образующихся в клетках в процессе внутриклеточного дыхания и поступления в организм загрязненного воздуха, компонентов пищи, содержащей предшественники свободных радикалов [21, 80, 124].
Флавоноиды и органические кислоты обладают капилляроукрепляю- щим, противовоспалительным, бактерицидным, спазмолитическим, желчегонным, антигепатотоксическим, стимулирующим регенерацию кожи и слизистых оболочек действием, повышают сопротивляемость организма к инфекционным и простудным заболеваниям, облегчают их течение. Антиокси- дантные свойства флавоноидов имеют более широкий спектр, чем у таких антиоксидантов, как витамины С и Е, селен, цинк [21, 80, 124].
Плоды унаби представляют значительный интерес для экстрагирования и получения напитков (рис 4.1). В Китае известно свыше 400 сортов унаби, его называют «деревом жизни», «бесценным даром Богов», «чудо- растением». В последние годы унаби успешно культивируется на территории Кабардино-Балкарской республики. Мякоть плодов светло-желтая, сладкая, содержит 25—40% углеводов, свыше 5% белков, до 5,8% пектиновых веществ, более 2% смол, дубильных веществ, минеральные соли, флавоновые гликозиды, кумарины (0,001%), смолы (2,24%), сахара, органические кислоты, витамин С, РР.
Из флавоновых гликозидов в плодах обнаружен рутин, а в листьях - кверцимеритрин, гиперозид и рутин. В плодах унаби обнаружено много минеральных веществ и микроэлементов. Для них характерно большое количество золы, до 50% которой занимает калий. По количеству железа плоды занимают первое место среди всех плодов, культивируемых на территории бывшего СССР. Препараты унаби оказывают общеукрепляющее действие, восстанавливают силы, снимают раздражительность, головные боли, регулируют артериальное давление, замедляют процесс старения организма, повышают иммунитет, увеличивают сопротивляемость к различным заболеваниям [59, 61, 88, 128, 129]. Таким образом, напиток, полученный на основе указанной композиции, будет обладать легким тонизирующим и общеукрепляющим действием.
Определение содержания растворимых веществ в растительном сырье проводилось при температурах 50; 60; 70С. Отдельно исследовалась смесь травы душицы, шалфея, эстрагона, мяты перечной, соплодий ольхи; смесь корней девясила, аира, алтея; смесь травы мелиссы, зверобоя, липового цвета; корень цикория. Для определения зависимости содержания растворимых веществ в сырье от температуры экстрагирования проводился анализ однородности средних согласно [25]. Сравнение опытного значения критерия Стьюдента ton с его табличным значением показывает, что при доверительной вероятности 0,95 для всех видов вышеперечисленного растительного сырья средние однородны (табл. 4.6). Следовательно, с указанной доверительной вероятностью можно полагать, что в диапазоне температур 50-70С содержание растворимых веществ X в сырье не зависит от температуры и в среднем имеет следующие значения. Для травы душицы, шалфея, эстрагона, мяты перечной, соплодий ольхи XTI= 28,1±0,32%; для корней девясила, аира, алтея XKi = 34,7±0,41%; для травы мелиссы, зверобоя, липового цвета ХТ2= 25,03±0,39%; для корня цикория ХЯ2=36,9±0,37%.
