CC BY
5
УДК 547.758.65:663.542 DOI 10.24412/2311-6447-2023-4-144-148
Гигроскопические параметры инулина, полученного из топинамбура
Hygroscopic parameters of inulin obtained from topinambour
Ассистент О. И. Коннова, Астраханский государственный технический университет, кафедра технологии товаров и товароведения, тел. 8(905)480-14-95, [email protected]
проректор по научной работе и инновациям Ю.А Максименко, Астраханский государственный технический университет, тел. (8512) 61-44-69, amxs [email protected]
профессор И.Ю. Алексанян Астраханский государственный технический университет, кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512) 61-44-69, [email protected]
Assistant 0.1. Konnova, Astrakhan State Technical University, chair of Technology of Goods and Commodity Science, tel. 8(905)480-14-95. [email protected]
Vice rector for scientific work and innovations Yu.A. Maksimenko, Astrakhan state technical university, tel. (8512) 61-44-69, [email protected]
Professor I.Yu. Aleksanyan Astrakhan state technical university, chair Technological Machines and Machinery, tel. (8512) 61-44-69, [email protected]
Аннотация. В рыночной сфере функциональных премиксов к пищевым материалам широко представлена индустрия пребиотиков. Одна из основных составляющих этой индустрии - инулин, который резонно вводить в рацион питания с диетической и профилактической точек зрения, а также при ряде патологий, в частности, ожирении и диабете, а также служит востребованным компонентом в пищевой индустрии по причине открытия новых перспектив при выработке сбалансированных по ингредиентам пищевых материалов. Для получения изотерм сорбции инулина тензиметрическим методом были использованы экспериментальные партии инулина, полученные при переработке топинамбура (сорт «Скороспелка», выращенного АО «Чаганское») по известной технологической схеме. Сушка экстракта осуществлялась на модернизированной установке конвективно-радиационной распылительной сушилке. Наиболее энергоемкие стадии сушки осуществляются в гигроскопической области влажности объекта исследования, что обусловливает интенсивность и механизм операции влагоудаления, с целью повышения степени совершенства которой, выбора рациональных режимных параметров, а также построения, адаптации к объекту анализа и решения математической модели: удаления из него влаги. Таким образом, поострены изотермы сорбции для инулина, опираясь на которые определены его гигроскопические параметры, выявлен механизм сорбции в разных рамках варьирования влажности, рекомендована конечная влажность сухого порошка инулинового комплекса. Полученные данные не противоречат известным литературным источникам и могут быть рекомендованы при проектировании процессов влагоудаления и хранения порошков инулинового комплекса и конструировании сушильных аппаратов.
Abstract. The prebiotics industry is widely represented in the market for functional premixes for food materials. One of the main components of this industry is inulin, which is reasonable to introduce into the diet from the dietary and preventive point of view, as well as in a number of pathologies, in particular, obesity and diabetes, and also serves as a demanded component in the food industry because of the opening of new perspectives in the production of food materials balanced by ingredients. To obtain the isotherms of inulin sorption by tensimetric method we used experimental batches of inulin obtained during the processing of topinambur (variety "Skorospelka", grown by JSC "Chaganskoe") according to the known technological scheme. Drying of the extract was carried out on a modernized convection-radiation spray dryer. The most energy-consuming stages of drying are carried out in the hygroscopic region of humidity of the object of study, which determines the intensity and mechanism of moisture removal operation, in order to improve the degree of perfection of which, the choice of rational mode parameters, as well as the construction,
(О О.И. Коннова, Ю.А Максименко, И.Ю. Алексанян, 2023
adaptation to the object of analysis and solution of the mathematical model of moisture removal from it. Thus, the sorption isotherms for inulin have been estimated, on the basis of which its hygroscopic parameters have been determined, the mechanism of sorption in different frames of moisture variation has been revealed, and the final moisture content of dry powder of inulin complex has been recommended. The obtained data do not contradict the known literature.
Ключевые слова: топинамбур, инулин, активность воды, влажность, изотермы сорбции, связь влаги с материалом, экстракция, сушка
Keywords: topinambur, inulin, water activity, moisture, sorption isotherms, moisture-material bonding, extraction, drying
В современных условиях прогресс пищевой индустрии предполагает увеличение доли производимой продукции с функциональными свойствами. Необходимость расширения выработки материалов с функциональными свойствами и возникновение существенных затруднений при ней обусловлены ухудшением экологической безопасности мировой практики. В таких условиях особенно важно обеспечить население здоровым питанием.
В рыночной сфере функциональных премиксов к пищевым материалам широко представлена индустрия пребиотиков. Одна из основных составляющих этой индустрии - инулин.
Инулин или инулиновый комплекс (ИК) - это вещество, которое используется в биологических субстанциях на водной основе, которое дает возможность замены липидных составляющих и глюкозы, энергетически обеспечивая клеточные структуры, и обусловливает устойчивость эмульсий, повышая вязкость водной среды.
ИК резонно вводить в рацион питания с диетической и профилактической точек зрения, а также при ряде патологий, в частности, ожирении и диабете. Кроме того, И К применяется при выработке, как пищевого, так и технического спиртов при введении в моторное топливо.
И К служит востребованным компонентом в пищевой индустрии по причине открытия новых перспектив при выработке сбалансированных по ингредиентам пищевых материалов. Важно отметить, что извлечение инулина из корней топинамбура имеет минимальные негативные последствия для окружающей среды. Топинамбур является неприхотливым растением, легко выращивается и не требует особого ухода. В свете перечисленных причин, извлечение инулина из корней топинамбура является научно обоснованным и экономически и экологически целесообразным процессом, который способствует улучшению здоровья и обеспечивает развитие фармацевтической и пищевой промышленности.
Для получения изотерм сорбции (ИС) были использованы экспериментальные партии инулина, полученные при переработке топинамбура (сорт «Скороспелка», выращенного АО «Чаганское») по известной технологической схеме, включая очищение и диспергирование топинамбура, очищение водной среды в качестве экстра-гента, экстрагирование водной средой, обесцвечивание изначального экстракта или вытяжки; мембранное разделение, вакуум-выпаривание, высушивание [1, 2, 3], при этом для экстрагирования использованы режимы в установках с активными гидромеханическими условиями, используя, к примеру, перемешивание в течении операции при влиянии ультразвука на гидромодуль и экстрактор в соответствии с патентом № 178562 «Гидродинамический экстрактор». Сушка экстракта осуществлялась на модернизированной конвективно-радиационной распылительной сушилке.
В пищевых и биотехнологических процессах выработки обезвоженных порошков различных растительных субстанций завершающей процедурой, первостепенно влияющей на их энергозатратность, служит влагоудаление для получения высушенных продуктов, в частности, инулиновых экстрактов из топинамбура, причем, целесообразного, в качестве объекта изучения использовать образцы ИК после сушки в
диспергированном состоянии, важные и наиболее энергоемкие стадии которой осуществляются в гигроскопическом ареале влажности объекта исследования, что обусловливает интенсивность и механизм операции влагоуд аления, с целью повышения степени совершенства которой, выбора рациональных режимных параметров, а также построения, адаптации к объекту анализа и решения математической модели удаления из него влаги выявлены гигроскопические параметры (ГП) ИК, опираясь на статические закономерности обозначенной процедуры при взаимодействии инулина с водной средой.
Объектом исследования послужил инулиновый комплекс из топинамбура при разной влажности.
С целью выявления ГП ИК реализован тензиметрический подход [1, 2, 3]. Навески ИК с влажностью Шобразца = 0,1 кг/кг выстаивали в эксикаторном резервуаре над сернокислым водным раствором, учитывая, что его концентрация при заданной температуре Т, К, обусловливает в объеме эксикаторного резервуара конкретную относительную влажность паровоздушной среды ср, % активность воды в пограничном слое над навеской Аш.
В нашем варианте порошковые навески получали путем обезвоживания при конвективно-радиационном энергоподводе в диспергированном состоянии при распылении ИК.
Равновесную Шр, кг/кг при условии равновесия находили, как:
ц/-р = М2-М1<(1-Жо6ртт)
( 1),
где массы для навески:Mi- исходная, Мз - в равновесных условиях, кг; Wобразца 0,05 - исходная для навески, кг/кг.
В итоге подучены ИС (рис. 1), конфигурация которых обусловливает механизм процедуры сорбции, свойственный для продуктов растительного происхождения, а перегибы на кривых определяют его изменение при варьировании преобладания вида и энергии связи влаги с ИК [4, 5].
ИС (рис. 1) обладают S-образной формой, что не противоречит данным других ученых [4, 5, 6, 7], что обусловливает тот факт, что ИК можно причислить подклассу капиллярно-пористых коллоидных веществ.
На ИС наблюдаются 3 зоны соответствующих моно- и полимолекулярной адсорбции влаги, а также удерживаемой в поровом пространстве, макро- и микрокапиллярах [4, 8],
При Aw = 1 (ср = 100 %) наблюдается наибольшая влажность при взаимодействии навески с паровоздушной средой в эксикаторном резервуаре Шобрсища, которую определяют, как гигроскопическую Wg, при которой заканчивается гигроскопический ареал. Для ИК Wg равна 0,21 при 293 и 0,18 кг/кг при 333 К.
Aw
Aw
(а)
(б)
Рис. 1. ИС водяного пара инулином: а - при Т = 293 К; б - при Т = 333 К
Доля адсорбционно-связанной воды, выявленная на ИС по методу, описанному в работе [4], обусловливает долю мономолекулярного слоя при итоговой Шк = 0,05 кг/кг на пересечении прямой на ИС и оси абсцисс.
При Аш ~ 0,8 прослеживается перегиб ИС при Ше = 0,16 кг/кг и Т = 293К и 0,14 при 333 К для ИК. Ше разграничивает участки с адсорбционно связанной и макро- и микрокапиллярной, а также структурной влагой (осмотической и иммоби-лизационной).
Выявление ГП ИК целесообразно для нахождения суммарного объема влаги, отводимой при обезвоживании И К и, к тому же, для ее классификации по признакам и энергетической связи с сухим остатком.
Отметим, что в коллоидного капиллярно-пористом веществе при И7р < Шк посредством паросорбции создаются прочно энергетически связанные гидратные комплексы, имеющие кулоновский гидратационный тип, путем адсорбирования сольватных молекулярных структур жидкой среды молекулярными структурами наружной и внутренней поверхности мицелл. Эта часть ИС отвечает мономолекулярной влагосорбции, которая осуществляется с существенным выделением тепловой энергии набухания или гидратации [4, 6, 7, 8, 9].
Мицеллы коллоидных субстанции имеют большую внутреннюю поверхность, что обусловливает значительную свободную энергию на ней, и предопределяет адсорбционную связь при поляризация связывающихся с монослоем прослоек водных молекулярных структур с предыдущими прослойками ориентированных водных молекулярных структур [4, 6, 7, 8, 9].
На ИС, выпуклой по отношению к оси Аш, при Шк< Шр< Ше адсорбируются полимолекулярные прослойки при выделении тепловой энергии набухания, однако ее доля и энергия связи снижаются при росте Ш при стремлении к Ше, причем параметры жидкой среды стремятся к ее параметрам в свободном состоянии. Полагают, что высота полимолекулярного слоя может равняться сотням диаметров молекулярных структур жидкой среды [4, 7, 8, 9, 10].
При Ше < Шр < И7д наблюдается влагопоглощение без выделения тепловой энергии и варьирования внутренней энергии порошка ИК. Итак, в этих рамках варьирования Шр объемный рост при гидратации, принимая во внимание основное термодинамическое соотношение осуществляется при росте энтропийной энергетической составляющей. Процедуры сорбции поглощения воды на данной стадии обозначают, как собственное набухание [4, 6, 7, 8, 9], а водную среду называют структурной, а иногда, энтропийной. К тому же, при Ше < Шр < Шд наблюдается присутствие жидкой среды в капиллярах и поровом пространстве, поступающей посредством эффекта смачивания без тепловыделения, и называемой механически связанной, причем связь определяется капиллярным давлением и поверхностным натяжением [4, 6, 7, 8, 9].
В результате приведенного анализа приходим к заключению о том, что при росте Т Шр падает, причем наибольшее отклонение Шр наблюдается при Шд.
Данные [1, 6] указывают на тот факт, что порошок инулина, полученный при конвективно-радиационном обезвоживании ИК в диспергированном состоянии, обладает высокой степенью гигроскопичности, что необходимо учитывать при планировании/проектировании технологических этапов транспортировки, фасования, упаковывания и прочих. Последующие этапы технологического потока целесообразно осуществлять, принимая во внимание ср с разной степенью оперативности.
Высокогигроскопичный порошковый ИК для увеличения сроков его сохранности целесообразно упаковывать по возможности в герметичную тару, кроме того, хранение (складирование) осуществлять в помещениях, оборудованных системами контроля и поддерживания соответствующей влажности и температуры воздуха.
Таким образом, поострены изотермы сорбции для инулина, полученного при переработке топинамбура (сорт «Скороспелка», выращенного АО «Чаганское», Астра-
ханская область) по известной технологической схеме, опираясь на которые определены его гигроскопические параметры, выявлен механизм сорбции в разных рамках варьирования влажности, рекомендована конечная влажность сухого порошка инулина, полученного при конвективно-радиационном обезвоживании инулинового комплекса в распыленном состоянии. Полученные данные не противоречат известным литературным источникам и могут быть рекомендованы при проектировании процессов влагоудаления и хранения порошков инулинового комплекса и конструировании сушильных аппаратов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Максиме нко, Ю.А. Развитие научно - практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии: Дис. ... докт. техн. наук. Астрахань, 2016. 502 с.
2. Петровичев, О.А. Критериальное уравнение процесса акустического распыления жидких и пастообразных пищевых продуктов / О.А. Петровичев, Ю.А. Макси-менко, С.В. Синяк, Л.Х.-А. Саипова / / Вестник АГТУ. Научный журнал. - 2014. - №2 (58). - С. 102-105.
3. Титова, A.M. Сорбционно-структурные характеристики иектиносодержащей клетчатки /A.M. Титова, Ю.А. Максименко// Материалы I МНПК, посвященной 450 -летию г. Астрахани. «Биотехнологические процессы и продукты переработки биоресурсов водных и наземных экосистем». Астрахань: АГТУ, 2008. С. 246 - 249.
4. Гинзбург, А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник / А.С. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская // 2-е изд., доп. и перераб. М. Пищ. пром-сть 1980. - 288 с.
5. Нугманов, А.Х-Х. Разработка рациональных режимов процесса варки пищевой смеси для его автоматизации с элементами анализа сложных физико-химических систем / А.Х-Х. Нугманов, В.В. Ермолаев, П.Н. Ларин, Ю.А. Максименко// Известия вузов. Пищевая технология. Издательство «Кубанский государственный технологический университет». - 2010. - № 2-3. - С. 70-73.
REFERENCES
1. Maksimenko, Yu.A. Development of scientific and practical bases and improvement of the processes of plant raw material drying in the dispersed state: Cand. ... doctor of technical sciences. Astrakhan, 2016. 502 c.
2. Petrovichev, O.A.. Criteria] equation of the process of acoustic atomization of liquid and pasty food products / O.A.. Petrovichev, Yu.A. Maksimenko, S.V. Sinyak, L.H.-A. Saipova // Vestnik AGTU. Scientific journal. - 2014. - №2 (58). - C. 102-105.
3. Titova, L.M. Sorption and structural characteristics of pectin-containing fiber / L.M. Titova, Yu.A. Maksimenko // Proceedings of I INPK, dedicated to the 450th anniversary of Astrakhan. "Biotechnological processes and products of processing of biore-sources of aquatic and terrestrial ecosystems". Astrakhan: Astrakhan State Technical University, 2008. C. 246 - 249.
4. Ginzburg, A.S. Thermophysical characteristics of food products: Reference book / A.S. Ginzburg, M.A. Gromov, G.I. Krasovskaya / / 2nd edition, supplement and revision. M. Pishch. industry 1980. - 288 c.
5. Nugmanov, A.Kh-Kh. Development of rational modes of food mixture cooking process for its automation with elements of complex physical and chemical systems analysis / A.Kh. Nugmanov, V.V. Ermolaev, P.N. Larin, Yu.A. Maksimenko / / Izvestiya vuzov. Food technology. Publishing house "Kuban State Technological University". -2010. - № 2-3. - C. 70-73.
