Исследование адсорбции рутина на активных углях Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВА ПИВА и НАПИТКОВ

ТЕМА НОМЕРА

УдК 547.972.35:533.583.2

исследование адсорбции рутина на активных углях

Т. А. Краснова,

д-р техн. наук; Н. В. Гора,

аспирант; Н. С. Голубева,

канд. техн. наук Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

В современных условиях столь популярному напитку, как пиво необходимо соответствовать возрастающим запросам потребителей. Данные обстоятельства диктуют необходимость создания особенных сортов напитка для наиболее полного удовлетворения покупателей. Один из путей придания пиву новых органолептических свойств — адсорбционное извлечение полифенолов.

При производстве водки применяют активный уголь (АУ) древесный дробленый марки БАУ-А. Сырьем для получения АУ БАУ-А служит древесина березы, что обусловливает его высокую стоимость и низкую прочность. Среди различных марок углеродных сорбентов для извлечения веществ из водных сред все чаще отдается предпочтение АУ марки АГ-ОВ-1. Вместе с тем также большим потенциалом обладают полукоксы АБГ и Пуролат-Стандарт, имеющие при относительно низкой цене хорошие сорбционные свойства и высокую прочность. Применение этих сорбентов в процессе пивоварения для снижения содержа-

он

но

он

О- Rutinose

он о

Рис. 1. Структурная формула рутина

ния фенольных соединений, может уменьшить себестоимость готового продукта.

Отдельная группа многообразных полифенольных соединений — флавоноиды, производные фенилхромана и фенилхромона с гидроксильными группами. Один из представителей группы флаво-ноидов — рутин (рутинозид квер-цетина) (рис. 1) [1].

Цель данной работы — изучение возможности применения активных углей различных марок для адсорбционного извлечения рутина.

Исследование адсорбционного поведения флавоноида проводилось на углеродных сорбентах марок АБГ, Пуролат-Стандарт и АГ-ОВ-1 в статических условиях (рис. 2). Извлечение рутина из модельных растворов изучалась во временном интервале при непрерывном перемешивании в течение 7-9 ч.

Изотермы адсорбции рутина активными углями АГ-ОВ-1 и АБГ по форме начального участка относятся к классу L, а АУ Пуролат-Стандарт к Н — типу исходя из классификации Гильса. Данные классы изотерм описывают адсорбцию в том случае, когда адсорбированные молекулы между собой практически не взаимодействуют [2]. Кроме того изотермы типа L предполагают физическую адсорбцию, при которой между ад-сорбатом и адсорбентом действуют молекулярные ван-дер-ваальсовы силы. В химическом смысле адсорбированные частицы остаются неизменны, сохраняя свою молекулярную природу.

СОВРЕМЕННЫЕТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВАПИВА и НАПИТКОВ

9 1

8 -

7 -

6 -

5 -

4-

3 -

2 -

-1 -

-2 -1

100 200 300 в N. 400 500 600

Ср, мг/дм

— АБГ — Пуролат-Стандарт — АГ-ОВ-1

ческого взаимодеиствия активных углей с поглощаемым веществом, подтверждаемое лучшим извлечением при высоких концентрациях [2, 4]. Помимо этого, необходимо учитывать содержащиеся в рутине гидрофобные кольца, которые обеспечивают неспецифическое взаимодействие с углеродным сорбентом [5]. Поверхность АУ Пуролат-Стандарт ненасыщенна в химическом отношении, то есть атомы, и кислородсодержащие группы поверхности могут быть способны к химическому взаимодействию с адсорбируемым веществом.

Анализ полученных результатов позволяет составить ряд эффективности адсорбции рутина из водных растворов:

0

1 <

§

ш I-

1

0

Рис. 2. Изотермы адсорбции рутина адсорбентами марок АБГ, Пуролат-Стандарт и АГ-ОВ-1

Таблица 1

Марка угля Ленгмюр -G, Г , ' тах' кДж/моль ммоль/г Фрейндлих 1/п Ь БЭТ 0, Г , ' тах' кДж/моль ммоль/г

АГ-ОВ-1 29,08 0, 04 0,527 1,840-4 9,92 0, 038

АБГ 32,35 0,01 0,532 3,240-4 11,86 0, 014

Пуролат-Стандарт 41,54 0,05 0,115 1,710-3 16,96 0, 051

Примечание. G — энергия Гиббса; Гтах — адсобрция монослоя на поверхности адсорбента при максимальном его насыщении; Q — теплота адсорбции; 1/п, Ь — коэффициенты уравнения Фрейндлиха.

Таблица 2

Марка угля Дубинин-Радушкевич

Го, г/г Е0, кДж/моль X, нм

АГ-ОВ-1 0,006 11,23 1,07

АБГ 0,014 10,55 1,14

Пуролат-Стандарт 0,004 25,35 0,47

Примечание. Г0 — избыточная величина адсобрции; Е0 — характеристическая энергия; X — полуширина пор.

Изотерма типа Н позволяет предположить, что адсорбция протекает с образованием химической связи между частицами активного угля и адсорбированными молекулами или атомами. В результате обмена электронов между адсорбированными атомами с молекулами и поверхностью углеродного сорбента образуется химическая связь. В силу природы адсорбционных сил химическая адсорбция является мономолекулярной. Крутой подъем изотермы, показывает высокую степень сорбции из растворов с низкой концентрацией при извлечении флавоноида на АУ Пуролат-

Стандарт, что объясняется взаимодействием активных центров углеродного сорбента с молекулой рутина [3].

Результаты расчета, проведенного для получения адсорбционных параметров АУ с помощью уравнений БЭТ, Ленгмюра, Фрейндлиха и Дубинина-Радушкевича, представлены в табл. 1 и 2.

Из табл. 1 видно, что значения энергии Гиббса, при адсорбции рутина на углеродных сорбентах марок АГ-ОВ-1 и АБГ, сравнимы с энергией водородной связи (8-40 кДж/моль), что ясно показывает на преобладание специфи-

АГ-ОВ-1 < Пуролат-Стандарт < АБГ

Оценивая степень количественного извлечения рутина на активных углях, обладающих различной структурой и химией поверхности, можно сделать вывод о возможности применения сорбентов марок АБГ, Пуролат-Стандарт и АГ-ОВ-1. Однако наиболее предпочтителен для использования в пищевой промышленности АУ АБГ ввиду его высоких показателей извлечения рутина, физических характеристик и низкой стоимости.

Исходя из экспериментальных результатов и стоимости углеродного материала, рекомендуем в пищевой промышленности для извлечения рутина из пивного сусла в качестве сорбента использовать активный уголь марки АБГ. Для уточнения эффективности использования АУ необходимо изучить адсорбцию других полифеноль-ных соединений, содержащихся в сусле.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище. — М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004. — 240 с.

2. Парфит, Г. Адсорбция из растворов на поверхности твердых тел / Г. Парфит, К. Рочестер, пер. с англ. — М.: Мир, 1986. — 488 с.

3. Карнаухов, А. П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов / А. П. Карнаухов. — Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. — 470 с.

3 • 2015 ПИВО и НАПИТКИ 19

ш h

СОВРЕМЕННЫЕТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВАПИВА и НАПИТКОВ=

4. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / А. М. Кога-новский [и др.]. — М.: Химия, 1983. — 288 с.

5. Сорбционно-хроматографическое определение галловой, кофейной кислот, рутина и эпикатехина в лекарственных растени-

ях / З. А. Темердашев [и др.] // Аналитика и контроль. — 2013. — Т. 17. — № 2. — С. 211-218. <&

Исследование адсорбции рутина на активных углях Investigation of Adsorption of Rutin by Activated Carbons

Ключевые слова

адсорбция; пиво; рутин; углеродные сорбенты. Реферат

В статье представлены результаты исследования возможности применения активных углей, отличающихся сырьем, способом получения, структурой и химией поверхности для адсорбции полифенолов из пивного сусла. На примере рутина изучен процесс извлечения флавоноидов из модельных растворов. Установлены закономерности и особенности адсорбции рутина на активных углях различной природы. Рассчитаны адсорбционные параметры, необходимые для инженерных расчетов промышленных адсорбционных установок. Полученные значения параметров — энергии Гиббса, характеристической энергии, теплоты адсорбции и форма изотерм позволяют предположить механизм процесса извлечения органических веществ сорбентами. Адсорбция осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил и за счет взаимодействия функциональных групп на поверхности активного угля с фенольными соединениями с образованием водородных связей. Рекомендованы угли для снижения концентрации полифенолов.

Авторы

Краснова Тамара Андреевна, д-р техн. наук, профессор;

Гора Наталья Вячеславовна, аспирант;

Голубева Надежда Сергеевна, канд. техн. наук

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности,

650056, Кемерово, бульвар Строителей, д. 47, [email protected]

Key words

adsorption; beer; rutin; carbon sorbents. Abstract

The paper gives the results of the study of the possibility to use the activated carbons that differ in raw materials, the way of preparing, structure and surface chemistry for polyphenol adsorption from beer wort. The process of extracting flavonoids from standard test solutions has been studied on rutin. Regularities and specifics of rutin adsorption on activated carbons of various natures have been established. Adsorption parameters needed for engineer design of commercial adsorption plants have been calculated. The parameters obtained — Gibbs energy, characteristic energy, adsorption heat, isotherm form — allow to propose a mechanism of the extraction process of organic substances with sorbents. Adsorption occurs due to Van der Waals' forces and interaction of functional groups on the activated carbon surfaces with phenol compounds forming hydrogen bonds. Carbons are recommended to decrease polyphenol concentration.

Authors

Krasnova Tamara Andreevna, Doctor of Technical Science, Professor; Gora Nataliya Viacheslavovna, Post-graduate Student; Golubeva Nadezhda Sergeevna, Candidate of Technical Science Kemerovo Institute of Food Science and Technology, 47 Stroiteley Boulevard, Kemerovo, 650056, Russia, [email protected]

H й международная спецнатлзированнйй ¿ысгзянэ

КРИОГЕН-ЭКСПО £

Промышленные Газы

QpriH И JüTOp

^Mtip-Jhççno

ELF

■ У

27 - 29 октября 2015

Москйа. ЦВК "Экспоцентр", павильон 5

Проводится при содействии

Л ÏI/IÈHUWHЙ-СДлОГО и41 IиТуПи *ОЛ<адД uijr . El Мч;>щум арщ^.0^1 J к J ди мин Mjnü да

РАЗДЕЛЫ ВЫСТАВКИ;

V Крич:tLiIHiih aprtatypa и чОг/.ПшекFуклцие * Га^Ойые смеси

■ Воэдукорадделтельные установки

» СПМЩии длн п р о и з п одстгаа ИЗО vuiiiJ ЛР11НЫ* Г.НОИ

■ Криогенная ИЗОЛЯЦИИ * Трплообменное, нп.куул*ное, насосное

и компрессорное оборудовл ht» и Избери к льмйе оборудооо им ■ Промыш ленные и редкие ra dal, СУ Г

■ Водородн ые техно/ни и н

* Гелия Hiiie технологи и

* СПГ-технологии

г КрИО*ранНЛИщ.|, СОРЩыДЫМр!

* Криохирургические: aniiapatú

■ Оборудований для ХрЭИЁ кип транслорпировки hi распределения гтромышл вн+ныи га зон и СП Г

ДЕЛОВАЯ ПРОГРАММА: 27 и 2S октнбрк 2015

Г/осква. ЦВК "Экспоцентр" павильон Б, зал 1

Двон адцатая междун ароднан Научни-лрактинескаи конференция « К рис i -■ ч Hai е T«ч h-.-логи м и ойорудовл ние. tlí ргп ектнв ш раз ви тн ни РЛем лунл роднля ханферечц>1А г Промы шпе нны е г 1Ы * Мижлуни рвдч JH чонференцгн ьСжишснчый природ чь-'й Ш*

il ■ il .,И' 'Ч* л п

ПОМН'ЦИ-ÍJ.

m

Дирекций Ubi ставки:

Россия. P/CI- . ■ . :.! ■ rlA ! , ::- ¡Л. дом Ï,. ! 'f. :■ -!■■ г LO дфне SÛ?

Тсл/фис ■ 7 435 943-1010

|-<TU I IP.'Г ,JJ'T.rYögen r«pc- ГЦ I С .'i и ! ШЛА . I v'Jfi^ ' ''"чр'-' 1 u

Тяиттгр: ¿Есгум1вю_ги | Клклп Ybutube: ypiitube сот-Ун ■.crfcrvonpo

YouCŒD

—H—T ©---

|'г.:1.|1чч vjjrubr.iti"'/i,-,i.:/Lrtij- ipa LllUll-,1'.. ÍÜlilUbr.UJlH/UStr/L ' fil У II

•vv»-.i,,-. ...v;... H^»,,,

Ü

l-hcr ^'^fïïb