CC BY
37
УДК 664.8: 573.6.086.83:664.022.3 Доцент А.М. Гаджиева
(Дагестанский государственный технический университет) E-mail: gadzhieva_aida@mail.ru
профессор Г.И. Касьянов
(Кубанский государственный технологический университет) тел. (861) 255-99-07 E-mail: kasyanov@kybstu.ru
к.т.н. О.И. Квасенков
(Всероссийский научно-исследовательский институт технологии консервирования
(ВНИИТеК))
тел. (499) 976-90-47
E-mail: okvasenkov@yandex.ru
Associate professor A.M. Gadzhieva
(Daghestan State Technical University) E-mail: gadzhieva_aida@mail.ru
professor G.I. Kasianov
(Kuban State Technological University) phone (861) 255-99-07 E-mail: kasyanov@kybstu.ru
PhD O.I. Kvasenkov
(All-Russian Research Institute of Technology preservation) phone (499) 976-90-47 E-mail: okvasenkov@yandex.ru
Сорбция СО2-экстрактов пряностей на томатной пасте
Sorption of CO2-extracts of spices to the tomato paste
Реферат. Одним из важнейших преимуществ технологий, основанных на использовании СО2-экстракции является возможность производства продуктов без консервантов, наполнителей, химических, нежелательных ароматических веществ и других добавок. Большой теоретический и практический интерес представляет изучение сорбции СО2-экстрактов на томатных носителях при изготовлении кетчупов. Рассмотрены принципы оптимизации процесса сорбции СО2-экстрактов аниса, имбиря и амаранта на томатной пасте при изготовлении кетчупов. На томатную пасту наносится мисцелла экстрактов пряностей. Это достигается отбором СО2-мисцеллы из экстрактора под давлением до 6 МПа. Затем из полученного материала мгновенно удаляется растворитель за счет снижения давления в аппарате до атмосферного. Определены степени сорбции СО2-экстрактов аниса, имбиря, амаранта и облепихи. Расчеты проводились по программе, составленной в среде математического пакета «MathCAD 14». В результате проведенных исследований получены уравнения регрессии для сорбции аниса, амаранта и имбиря на томатной пасте в зависимости от концентрации индивидуальных экстрактов в мисцелле. Показаны возможности метода полного факторного эксперимента. В используемом методе математического планирования эксперимента применяются безразмерные кодированные композиционные факторы x1 и x2. Для перехода от концентрации мисцел-лы к соответствующим кодированным величинам применялись следующие формулы:
Л _ С1 ~ С01 ; Л _ c2 ~ c02 ; Л ~ Л1 --; ЛЛ --; Л! - "
Ас1 Дс2 Дс3
В эксперименте реализован план 23. Использовался центральный композиционный план, отвечающий требованию ротатабельности, т.е. план, позволяющий получать модель, способную предсказать значение параметра оптимизации с одинаковой точностью, независимо от направления на равных расстояниях от центра плана. В таких условиях можно установить эмпирические уравнения регрессии, включающие линейные и нелинейные члены.
© Гаджиева А.М., Касьянов Г.И., Квасенков О.И., 2014
Summary. The possibility of the production of products without the preservatives, the fillers, the chemical, undesirable aromatic substances and other additives is one of the prime advantages of technologies, based on the use of CO2- extraction. There is great theoretical and practical interest in the study of the absorption of CO2- extracts on the tomato carriers with the production of ketchup. There are examined the principles of the optimization of the process of absorbing the CO2- extracts of anise, ginger and amaranth on the tomato paste with the production of ketchup. There are examined the principles of the optimization of the process of absorbing the CO2- extracts of anise, ginger and amaranth on the tomato paste with the production of ketchup. The miscella of the extracts of spices is brought to the tomato paste. This was reached by the selection of CO2- miscella from the extractor under the pressure to 6 MPa. Then solvent due to a pressure decrease in the apparatus to the atmospheric instantly was moved away from the obtained material. The degrees of the absorption of the CO2- extracts of anise, ginger, amaranth and sea buckthorn are determined. Calculations were performed through the program of that composed in medium of the mathematical packet "Of mathCAD 14". As a result conducted investigations are obtained the equations of regression for absorbing of anise, amaranth and ginger on the tomato paste depending on the concentration of individual extracts in the miscella. The possibilities of the method of complete factor experiment are shown. In the utilized method of the mathematical planning of experiment adapt the dimensionless coded composition factors x1 and x2. To the appropriate coded values the following formulas adapted for the passage from miscella concentration:
L01 .
-02 .
L03
1 Ac1 ' 2 Ac2 ' 3 Ac3 '
In the experiment is realized plan 23. Was used the central composition plan, which corresponds to the requirement of rotata-ble, i.e., the plan, which makes it possible to obtain the model, capable of predicting the value of the parameter of optimization with the identical accuracy, independent of direction at the equal distances from the center of plan. Under such conditions it is possible to establish the empirical equations of regression, which include linear and nonlinear terms.
Ключевые слова: сорбция, томатная паста, СО2-экстракты
Keywords: sorption, tomato paste, СО2- extracts
Трудами ученых и специалистов Краснодарской научно-педагогической школы по обработке сельскохозяйственного сырья сжиженными и сжатыми газами установлено, что СО2-экстракты из пряно-ароматического сырья обладают повышенной сорбцией и десорбцией.
Специалисты Воронежского государственного университета инженерных технологий изучили условия сорбции эфиромасличной фракции С02-экстрактов пряностей на животных белках с помощью инструментальных методов профильного анализа, кластерного метода и метода основного компонента [1]. В качестве носителя аромата использовались животные белки Промил-С95, Промил-Г95 и Пробелкон 140. М.М. Данылив исследовал закономерности сорбции СО2-экстрактов аниса, тмина, кардамона, перца черного, белого и красного на белковом носителе [2].
На кафедре физической и аналитической химии Воронежского государственного университета инженерных технологий проводились исследования по особенностям сорбции паров альдегидов, кетонов, лактонов, органических кислот и углеводородов на пьезоэлектрических пленках [3, 4].
Установлено, что аромат пищевым продуктам придает множество индивидуальных химических соединений, которые сорбированы на белковых и липидных компонентах и создают индивидуальный образ продукта. Некоторые ароматические вещества образуются в ходе технологического процесса, а другие вносятся в продукт в виде пищевых добавок [5]. С помощью метода пьезокварцевого микровзвешивания изучено формирование легколетучей фракции аромата полупродуктов при добавлении пищевых ароматизаторов.
Наиболее изучен способ сорбции СО2-экстракшв пряностей на сухих носителях -сахаре, соли, крахмале. Независимо от метода получения СО2-экстрактов для обеспечения высоких сорбционных свойств носители должны иметь определенную пространственную структуру. Наличие структурных микродефектов, химических неоднородностей значительно ухудшает электронные и магнитные свойства носителей, поэтому попытка подбора таких материалов должна быть направлена на устранение указанных недостатков.
Большой теоретический и практический интерес представляет изучение сорбции СО2-экстрактов на томатных носителях при изготовлении кетчупов.
В настоящей работе рассматривается оптимизация процесса сорбции СО2-экстрактов на томатной пасте. В данном случае на томатную пасту наносилась мисцелла экстрактов пряностей. Это достигалось отбором СО2-мисцеллы из экстрактора под давлением до 6 МПа. Затем из полученного материала мгновенно удалялся растворитель за счет снижения давления в аппарате до атмосферного.
Целью работы являлось определения степени сорбции СО2-экстрактов аниса, имбиря, амаранта и облепихи. Расчеты проводились по программе составленной в среде математического пакета «MathCAD 14»
Для получения смеси аниса с имбирем с заданным соотношением в качестве основных факторов были выбраны концентрации аниса (С1), концентрация имбиря (С2) и концентрация амаранта (сз). Параметром оптимизации или функцией отклика было значение сорбируемо-сти. Значения базисных уровней:со1 = 0,03 ;
2
3
С02 = 0,08 ;соз = 0,07 ; интервал варьирования Ас = 0,01; Дс2 = 0,04 ;Дсз = 0,02 .
В используемом методе математического планирования эксперимента применяются безразмерные кодированные композиционные факторы Х1 и Х2. Для перехода от концентрации мисцеллы к соответствующим кодированным величинам применялись следующие формулы:
-1 ^01 .
'2 ^02.,
-3 ^ 03
Ас1 ' 2 Дс2 ' 3 Ас3
(1)
В эксперименте реализован план 23. Использовался центральный композиционный план, отвечающий требованию ротатабельности, т.е. план, позволяющий получать модель, способную предсказать значение параметра оптимизации с одинаковой точностью, независимо от направления, на равных расстояниях от центра плана. В таких условиях можно установить эмпирические уравнения регрессии, включающие линейные и нелинейные члены:
у = Ь0 +Ь1 х1 + Ь2 х2 + Ь3 х3 + Ь12 х1х2 + Ь13 х1х +3 I Ь 23 х2 х3 I Ь11 I Ь 22 2 I Ь 33
(2)
Условия опытов, матрица планирования и результаты о совместной сорбции аниса, имбиря и амаранта представлены в таблице 1.
Коэффициенты регрессии Ь были вычислены с помощью уравнения (2). С применением критерия Стьюдента была проверена значимость этих коэффициентов с доверительной вероятностью 95%. Приведенные ниже сокращенные уравнения выражают зависимость параметров оптимизации от значений основных факторов:
у(7) = 0,457 + 0,072х1 - 0,03х2 - 0,07х3 +
+ 0,035х1х2 + 0,027х1х3 - 0,02х22;
у(Ва) = 0,205 + 0,004х1 + 0,079х2 - 0,04х3 +
+ 0,091хх -0,15х2х3 + 0,12х22;
у(Сс) = 1,178 - 0,24х + 0,22 х3;
(3)
Чтобы проверить адекватность этих уравнений, были проведены 6 дополнительных опытов в центре плана. С помощью критерия Фишера была проверена адекватность полученных уравнений. Установлено, что на 5% в процентном уровне значимости уравнения адекватно описывают экспериментальные данные.
Для получения совместной сорбции двух экстрактов на носителе необходимо, чтобы в результате сорбции аниса, имбиря и амаранта на гидролизате коллагена выполнялось мольное соотношение анис: имбирь: амарант = 1:2:3. Анализ уравненй делает очевидным, что для увеличения параметра оптимизации необходимо перемещение в факторное пространство от центра плана по направлению, которое соответствует одновременному увеличению всех основных факторов. После применения метода крутого восхождения были получены оптимальные значения факторов для аниса, имбиря и амаранта Х1 = 0,2,Х2 = 1,825 ,Х3 = 0,3 .
На основании анализа уравнений можно заключить: зависимости сорбции аниса и имбиря от основных факторов имеют экстремальный характер, поскольку квадратичные эффекты (Ы2 ,Ь13 ,Ь23) отличаются от нуля. Следовательно, поверхности отклика имеют так называемые «особые точки» что указывает на существенное искривление поверхностей.
Отличие от нуля Ьц и Ьв для сорбции аниса и Ь13 и Ь23 для сорбции имбиря говорит о значительном взаимодействии основных факторов. Это указывает на то, что влияние концентрации аниса на его сорбцию существенно зависит от концентрации имбиря и амаранта, а влияние концентрации амаранта на сорбцию имбиря зависит от концентраций аниса и имбиря. Положительное значение этих факторов говорит о том, что их взаимодействие усиливает сорбцию аниса, а взаимодействие имбиря и амаранта приводит к снижению сорбции имбиря.
х, =
1
Т а б л и ц а 1
Матрица планирования и результаты опытов по совместной сорбции аниса, имбиря и _амаранта коллагеновым гидролизатом_
Х1 Х2 Х3 У1 У2 У3
Условия опытов Концентрация, Г, моль Ме п+ /г
анис имбирь амарант анис имбирь амарант
1 2 3 4 5 6 7
Основной уровень (х; = 0) 0,03 0,08 0,07
Интервал варьирования (ДхО 0,01 0,04 0,02
Верхний уровень (х; =+1) 0,04 0,04 0,05
нижний уровень (х; = -1) 0,02 0,12 0,09
верхнее звездное плечо а=1,682 0,047 0,147 0,104
нижнее звездное плечо а=-1,682 0,013 0,013 0,036
№
1 + + + 0,467 0,2 1,175
2 - + + 0,2 0,275 1,625
П р о д о л ж е н и е т а б л. 1
1 2 з 4 5 6 7
з + - + 0,4 0,6 1,2
4 + + - 0,5зз 0,5 0,7
5 - - - 0,5 0,25 1,2
6 + - - 0,517 0,15 0,725
7 - + - 0,417 0,775 1,25
8 - - + 0,з 17 0,175 1,625
9 А 0 0 0,617 0,з25 0,8
10 -а 0 0 0,з 17 0,275 1,6
11 0 а 0 0,з5 0,65 1,125
12 0 -а 0 0,517 0,425 1,2
1з 0 0 а 0,4 0,з 1,55
14 0 0 -а 0,65 0,з5 0,8
15 0 0 0 0,4зз 0,25 1,2
16 0 0 0 0,48з 0,1 1,275
17 0 0 0 0,45 0,175 1,175
18 0 0 0 0,45 0,2 1,15
19 0 0 0 0,467 0,175 1,15
20 0 0 0 0,48з 0,225 1,125
Для сорбции амаранта коэффициенты Ь12, Ыз ,Ь2з равны нулю. Это говорит о том, что поверхность отклика не имеет центра, оптимум будет лежать на границе области определения факторов.
Анализируя коэффициенты Ы, Ь2, Ьз, можно сказать, что сорбцию имбиря можно увеличить, увеличив концентрацию аниса и уменьшив концентрации имбиря и амаранта. Сорбцию имбиря можно увеличить, увеличив концентрации аниса и имбиря и уменьшив концентрацию амаранта. Сорбцию амаранта можно усилить, уменьшив концентрацию аниса и увеличив концентрацию амаранта.
Коэффициенты Ьо, равные средним значениям факторов сорбции экстрактов в центре плана, возрастают в ряду ама-рант>анис>имбирь, что согласуется с размерами гидратированных радиусов коллагена.
Уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие почти стационарную область, несут в себе обширную информацию о влиянии основных факторов на отклик. Однако для получения целостной картины зависимости сорбции от концентрации мисцеллы представляет интерес изучение свойств поверхностей откликов (рисунок 1).
Сорбция аниса
Сорбция имбиря
Рисунок 1. Геометрический образ поверхности отклика у1 = ^Х^), уравнением (4):
а) Х1 =0,2 , б) Х2 =1,825, в) хз =0,3
При этом полезно перейти от полинома второго порядка, полученного по результатам опыта, к стандартному каноническому уравнению:
У - У* =Л1Х1 +^22Х2
(4)
где у8 - значение выхода в центре поверхности; Х1 и Х2 - канонические переменные, являющиеся линейными функциями факторов Х1 и Х2; ^11 и ^22 - коэффициенты канонической формы.
Параметры Х11 и Х22 в уравнении (4) определяют вид поверхностей откликов, которые классифицируются по их каноническим формам.
Для исключения линейных членов (Ы) в уравнениях регрессии начала координат в факторном пространстве были перенесены в «особые точки», затем координатные оси повернуты таким образом, чтобы в уравнениях исключить члены двойного взаимодействия (Ь12, Ь1з, Ь2з).
б
б
в
в
а
а
Так как в уравнения регрессии описыва- ограничениях, принимая попеременно опти-
ются при помощи трех факторов, приходится мальные значения факторов. Полученные значе-
решать компромиссную задачу - определять экс- ния представлены в таблице 2.
тремальные значения функции отклика при
Т а б л и ц а 2
Значения канонических коэффициентов, рассчитанных для сорбции аниса и имбиря
Сорбция иттрия Ион, значения которого приняты постоянными Ш Х22 Сорбция имбиря Ш Х22
х1 =0,2 , анис -0,02 0 -0,036 0,156
х2 = 1,825 имбирь -0,0135 0,0135 -0,0455 0,0455
Х3 = 0,3 амарант -0,03 0,01 0 0,12
Для сорбции аниса при постоянной его концентрации и сорбции имбиря при постоянной концентрации амаранта коэффициент Лц=0. Это говорит том, что центр лежит далеко за областью экспериментирования. Поверхности такого типа называются «возрастающим возвышением».
В остальных исследуемых системах коэффициенты Xu и X22 имеют разные знаки, это означает, что поверхность отклика - гипербо-
ЛИТЕРАТУРА
1 Антипова Л.В., Данылив М.М., Поленов И.В., Лустина Е.Н. и др. Изучение условий сорбции летучих веществ СО2-экстрактов на препаратах животных белков// Мясная индустрия. 2010. № 1. С. 36-39.
2 Данылив М.М. Получение и применение ароматизированных белков в технологии мясных продуктов из биомодифицированного сырья: автореф. дис. ... канд. тех. наук. Воронеж: ВГТА, 2005. 24 с.
3 Кучменко Т.А., Лисицкая Р.П., Хоперская М.А., Стрельникова Ю.И. и др. Контроль содержания пищевых ароматизаторов в кондитерских массах с применением сорбционных сенсоров газов // Аналитика и контроль. 2012. Т. 16. №4. С. 399-405.
4 Кучменко Т.А., Лисицкая Р.П. Сорбция легколетучих соединений винограда на тонких пленках сорбентов различной природы // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. № 4.
5 Кучменко Т.А. Применение метода пье-зокварцевого микровзвешивания в аналитической химии. Воронеж: Изд-во ВГТА, 2001. 280 с.
лический параболоид. В центре поверхности -мини-макс. Поскольку ^п<^22 , то влияние основных факторов на сорбцию характеризуется неаддитивностью действия.
В результате проведенных исследований получены уравнения регрессии для сорбции аниса, амаранта и имбиря на томатной пасте в зависимости от концентрации индивидуальных экстрактов в мисцелле. Показаны возможности метода полного факторного эксперимента.
REFERENCES
1 Antipova L.V., Danyliv M.M., Po-lenov I.V., Lustina E.N. et al. Study of the conditions of sorption CO2-extracts volatiles in preparations of animal protein. Miasnaia industriia. [Meat Industry], 2010, no. 1, pp. 36-39. (In Russ.).
2 Danyliv M.M. Poluchenie i primenenie aromatizirovannykh belkov v tekhnologii miasnykh produktov iz biomodifitsirovannogo syr'ia. Avtoref. diss. kand. tekh. nauk [Preparation and use of flavored proteins in meat products technology from biomodified raw materials. Dr. tech. sci. dis. abstr.]. Voronezh, 2005. 24 p. (In Russ.).
3 Kuchmenko T.A., Lisitskaia R.P., Khop-erskaia M.A., Strel'nikova Iu.I. et al. Food flavorings content control in confectionery masses using sorption gas sensors. Analitika i kontrol'. [Analytics and Control], 2012, vol. 16, no. 4, pp. 399-405. (In Russ.).
4 Kuchmenko T.A., Lisitskaia R.P. Sorption of volatile grapes compounds on thin films of different nature sorbents. Sorbtsionnye i khroma-tograficheskie protsessy. [Sorption and chromatographic processes], 2009, vol. 9, no. 4. (In Russ.).
5 Kuchmenko T.A. Primenenie metoda p'ezokvartsevogo mikrovzveshivaniia v analitich-eskoi khimii [Application of the piezoelectric quartz crystal microbalance in analytical chemistry]. Voronezh, Izd-vo VGTA, 2001. 280 p. (In Russ.).
