CC BY
130
УДК: [634.741:641.524.6].004.12
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ И ВОДНО-СПИРТОВЫХ ЭКСТРАКТОВ ИРГИ И ШИПОВНИКА
© А.Ф. Сорокопуд', П.П. Иванов
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, бульвар Строителей, 47, Кемерово, 650056 (Россия) е-mail: root@mail.kemtipp.ru
Представлены результаты исследования физико-химических свойств водных и водно-спиртовых экстрактов ирги и шиповника. Получены регрессионные уравнения, характеризующие изменение относительной плотности, поверхностного натяжения и динамической вязкости экстрактов в зависимости от температуры, концентрации сухих водорастворимых веществ и спирта. Дан анализ полученных данных в зависимости от изменения параметров.
Введение
Наиболее эффективным и экономически целесообразным путем улучшения обеспеченности населения витаминами и минеральными веществами является дополнительное обогащение ими продуктов питания массового потребления до уровня, соответствующего физиологическим потребностям человека.
В качестве таких наполнителей отечественная, да и зарубежная промышленность традиционно использует концентрированные экстракты и вытяжки из плодово-ягодного и растительного сырья [1, 2]. Причем немаловажную роль в данном случае играет возможность использования сырья, произрастающего и культивируемого в непосредственной близости от мест его переработки. Это позволяет заметно сократить затраты на транспортировку и хранение сырья, расширить номенклатуру выпускаемых продуктов питания за счет использования нетрадиционных и скоропортящихся видов плодов и ягод.
Кроме того, использование экстрактов в качестве витаминно-минеральных добавок позволяет регулировать химический состав продуктов и приводить его в соответствие с современными требованиями науки о питании, и тем самым создавать конкуренцию продуктам питания, в состав которых входят химически синтезированные пищевые красители и ароматизаторы.
Употребление плодов и ягод местного растительного сырья в пищу наиболее приемлемо в течение года главным образом в виде соков, а при производстве комбинированных и обогащенных продуктов питания чаще используются экстракты [1-3, 9]. Однако проблемы создания и совершенствования технологии, расчета и аппаратурного оформления процессов переработки плодово-ягодного сырья не могут быть успешно решены без решения проблем пищевой информатики, связанных с определением физикохимических, структурно-механических, теплофизических и других свойств сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. При этом необходимо создание информационно-поисковых систем либо банка данных по этим свойствам. Отсутствие таких данных до настоящего времени объясняется известным консерватизмом в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса. Таким образом, создание
Автор, с которым следует вести переписку.
и развитие информационной базы по свойствам нетрадиционных видов растительного сырья является актуальной задачей в условиях конкуренции различных продуктов питания на потребительском рынке.
Особую значимость приобретают данные по теплофизическим и физико-химическим свойствам, поскольку они характеризуют параметры продукта вблизи точек фазовых переходов и в значительной мере предопределяют габаритные размеры создаваемого технологического оборудования [1, 9, 10]. Это в первую очередь относится к тепло-массообменной аппаратуре, поскольку получение качественных экстрактов существенно зависит от условий экстракции, упаривания, термообработки и т.п.
В качестве объектов исследования взяты водные и водно-спиртовые экстракты из свежезамороженных плодов ирги и сушеных плодов шиповника (собраны в Кемеровском ГСП «Плодопитомник» в 2000 г.). Выбор объектов исследования обусловлен тем, что они представляют собой широко распространенные виды плодово-ягодного сырья Сибири, различающиеся как по структуре плода, так и по номенклатуре экстрактивных веществ, прежде всего представленных полифенольными веществами (флаваноиды, катехины, антоцианы и др.), редуцирующими сахарами и витаминами групп С, Р и А [4, 5]. Следует отметить, что большинство перечисленных химических соединений являются во до- или спирторастворимыми. В связи с этим в качестве экстрагента были взяты водно-спиртовые растворы с различной концентрацией спирта.
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию физико-химических характеристик водных и водно-спиртовых экстрактов ирги и шиповника, полученных методом настаивания, а именно: относительной плотности, динамической вязкости и поверхностного натяжения в зависимости от температуры - 1, концентрации сухих водо-растворимых веществ - Ссв и концентрации спирта - Ссп.
Экспериментальная часть
Для определения физико-химических характеристик применялись методы, получившие наибольшее распространение в экспериментальных исследованиях [1, 6]. Так, относительная плотность экстрактов определялась пикнометрическим методом. Измерения коэффициента динамической вязкости проводились стеклянными капиллярными вискозиметрами типа ВПЖ-3 с капиллярами различных диаметров. Коэффициент поверхностного натяжения определяли методом Ребиндера [6]. Оценка погрешности измерения по этим методикам показала, что при постановке пяти параллельных экспериментов максимально возможная погрешность измерения составила для относительной плотности ±0,097%, для динамической вязкости, учитывая погрешность измерения относительной плотности, ±4,6%, для поверхностного натяжения - ±1,6%.
Экстракты готовили методом настаивания с использованием водно-спиртового растворителя (с содержанием спирта 40%об). Затем экстракт упаривали под вакуумом при температуре 50°С. Необходимая концентрация исследуемых растворов (экстрактов) достигалась путем разведения концентрата водой и спиртом.
Диапазон изменения параметров (1 = 20^50°С; Ссв= 3^32% масс., Ссп= 0^35% масс.) был выбран из анализа условий переработки экстрактов (экстрагирование, концентрирование, термообработка и др.) с учетом следующего. Поскольку плоды шиповника и ягоды ирги содержат витамины и биологически активные вещества, многие из которых являются термолабильными, верхний предел их температурной обработки ограничивается 50°С. Традиционный способ извлечения сухих водорастворимых веществ из плодов и ягод настаиванием предполагает использование водно-спиртового раствора с содержанием спирта 40%об [3]. Принятый нами верхний предел (Ссп= 35%об) незначительно отличается от рекомендуемого. Кроме того, наличие влаги даже в сухих плодах ведет к снижению концентрации спирта в готовом экстракте. В Сибирском регионе сбор плодов шиповника и ягод ирги не характеризуется большими объемами, поэтому их экстракты могут быть полностью использованы местной пищевой промышленностью. Учитывая это обстоятельство, можно заключить, что нет необходимости в высоком концентрировании экстрактов (до Ссв = 50^70%„асс согласно ГОСТу 18078-72). Кроме того, применение высококонцентрированных экстрактов в пищевой промышленности предполагает их разбавление перед внесением в продукт, с целью обеспечения точности дозирования и равномерного распределения по всему объему. Деалкоголизация и упаривание экстрактов из местного плодово-ягодного сырья в роторном
распылительном испарителе показали возможность достижения концентрации сухих водорастворимых веществ порядка 30%масс [11] с меньшими энергозатратами по сравнению с известными испарителями.
При определении функциональной зависимости между тремя независимыми переменными (Ссв, Ссп, t) и откликом - физико-химическими свойствами, использовали множественный регрессионный анализ [7, 8].
Для определения влияния обозначенных факторов на физико-химические свойства экстрактов поставлен полнофакторный эксперимент 23. Для нахождения более точной картины распределения исследуемых параметров и расширения области эксперимента, кроме восьми, были проведены дополнительные эксперименты в количестве 60, с интервалом варьирования At = 10°С; ДСсв= 6-8%масс.;
ДСсп~ “ 7%масс.
Полученные опытные данные были обработаны на ЭВМ в среде статистического пакета «STATISTICA-5.0» и «EXCEL», в результате получены статистические модели, описывающие физико-химические свойства экстрактов.
Для относительной плотности (кг/м3) экстрактов ирги и шиповника уравнения множественной регрессии имеют вид (соответственно):
рирга = 1019,043 + 4,06-Ссв - 1,753-Ссп - 0,7074, R = 99,5%, (1)
рш = 1018,593 + 4,172-Ссв - 1,725-Ссп - 0,8214, Я = 99%, (2)
где Я - величина коэффициента множественной корреляции, показывающего силу связи модели с экспериментальными данными [8].
Практическая апробация показала, что относительная ошибка между экспериментальными значениями и рассчитанными по уравнениям (1, 2) не превышает 1,5%.
Для поверхностного натяжения (Н/м2) уравнения регрессии имеют вид:
стирга = (69,837 - 0,209-Ссв - 0,667-Ссп - 0,1784) -10-3, Я=96%, (3)
стш = (66,204 - 0,208-Ссв - 0,598-Ссп - 0,1564) •10-3, Я=97%. (4)
Сравнение экспериментальных и рассчитанных по уравнениям (3) и (4) данных показало, что в 5%-ный уровень относительной ошибки вошли (соответственно) 64 и 76% полученных результатов, у остальных данных уровень относительной ошибки не превысил 10%.
Влияние изучаемых параметров на динамическую вязкость (Па' с) достаточно сложное, что и привело к следующим приемам при получении уравнений регрессии.
Для водных экстрактов:
^ ирга = (0,576 + (0,143 • Ссв)3 +15,222). 10-з, Я=93%, (5)
цш = (0,632 + (0,136 • Ссв) +14,377) ^ r=94%. (6)
Для водно-спиртовых экстрактов:
U = (0,255 + (°,-62-Ссв + °,°59-Q,)3 + 33,434) • ,0-3, R=92%, (7)
= (0,144 +
(0,138- Ссв + 0,051- ССП )3 + 42,243
і
)-10-3, Я=93%.
(8)
В этом случае уровень максимальной относительной ошибки не превысил 15% по ирге и 20% по шиповнику, при этом у 75% данных относительная ошибка не превысила 10%.
Обсуждение результатов
Для графического анализа физико-химических свойств экстрактов рассмотрим частные зависимости, представленные в виде поверхностей отклика (рис. 1-6), полученных в результате статистического анализа в пакете «8ТАТ18Т1СА-5.0».
Из анализа коэффициентов уравнений регрессии видно, что наибольшее влияние на значение плотности оказывает концентрация сухих веществ в экстракте, при повышении которой происходит заметное увеличение выходной величины (о чем свидетельствует знак «+» при коэффициенте), однако два других параметра, температура и концентрация спирта оказывают противоположное влияние, что особенно заметно при их высоких значениях. Эти выводы подтверждаются и графической иллюстрацией на рисунках 1 и 2.
На рисунках 3 и 4 приведены результаты математической обработки опытных данных по исследованию поверхностного натяжения экстрактов, которые показывают, что с увеличением всех трех исследуемых факторов происходит снижение выходной величины, что и подтверждается уравнениями регрессии.
Рис. 1. Зависимость изменения относительной плотности экстракта ирги от концентрации спирта и сухих водорастворимых веществ (1 = 30°С)
Рис. 2. Зависимость изменения относительной плотности экстракта шиповника от концентрации спирта и температуры (Ссв = 16%„асс)
Рис. 3. Зависимость изменения поверхностного натяжения экстракта ирги от концентрации спирта и температуры (Ссв = 20%масс)
Рис. 4. Зависимость изменения поверхностного натяжения экстракта шиповника от концентрации спирта и сухих веществ (1 = 30°С)
Рис. 5. Зависимость изменения динамической
Рис. 6. Зависимость изменения динамической
вязкости экстракта ирги от концентрации спирта и вязкости экстракта шиповника от концентрации
температуры (Ссп = 14%об)
спирта и сухих веществ (1 = 30°С)
Вязкость экстрактов обусловлена межмолекулярным взаимодействием всех составляющих экстракта и в первую очередь таких, как пектин, сахара, органические кислоты, фенольные соединения и др. Общее количество этих веществ в исследуемом экстракте прежде всего определяется содержанием сухих веществ, а форма межмолекулярной связи - не только химическим составом экстракта, но также и концентрацией спирта в нем. При этом было выявлено, что каждый из изучаемых факторов вносит особое влияние на выходную величину. Так, в ходе статистической обработки опытных данных установлено, что температура вносит гиперболическую составляющую, а концентрация сухих веществ и спирта наиболее точно описывается зависимостью вида (ах1 + Ьх2)3. Это можно объяснить тем, что в экстракте при сочетании определенных условий происходят физико-химические процессы, в результате которых образуются межмолекулярные связи, способные повысить значение динамической вязкости, а при их разрушении происходит понижение значения исследуемой величины (рис. 5 и 6).
Кроме того, сравнительный анализ экспериментальных данных и полученных уравнений регрессии с результатами более ранних работ [1, 9-11] подтвердил предположение о степени влияния каждого из изучаемых факторов на физико-химические свойства водно-спиртовых экстрактов плодово-ягодного сырья близкой природы: черноплодной и красной рябины, черной и красной смородины.
Выводы
Получены расчетно-статистические уравнения, описывающие физико-химические свойства водных и водноспиртовых экстрактов ирги и шиповника в зависимости от температуры и содержания в них сухих водорастворимых веществ и спирта.
Результаты исследований могут быть использованы в расчетной практике при подготовке технической документации и аппаратурного оформления линий по производству концентрированных плодово-ягодных экстрактов.
Список литературы
1. Мустафина А.С. Разработка технологии плодово-ягодных экстрактов с целью их использования в производстве молочных продуктов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Кемерово, 1999. 18 с.
2. Домарецкий В. А. Производство концентратов, экстрактов и безалкогольных напитков: Справочник, Киев, 1990. 250 с.
3. Бурачевский И.И., Скрипников К.И. Современные способы получения полуфабрикатов ликероводочного производства. М., 1981. 136 с.
4. Растительные ресурсы СССР: Цветковые растения, их химический состав, использование. Л., 1987. 326 с.
5. Петрова В.П. Дикорастущие плоды и ягоды. М., 1987. 48 с.
6. Горбачев С.В. Практикум по физической и коллоидной химии. М., 1974. 234 с.
7. Тюрин Ю.Н., Макаров А. А. Статистический анализ данных на компьютере. М., 1998. 528 с.
8. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М., 1985. 319 с.
9. Сорокопуд А.Ф., Мустафина А.С. Исследование физико-химических свойств экстрактов черноплодной рябины //
Пиво и напитки. 1997. №3. С. 34-35.
10. Сорокопуд А.Ф., Мустафина А.С., Третьякова Н.Г. Физико-химические свойства экстрактов красной смородины и красной рябины // Хранение и переработка сельхозсырья. 2000. №12. С. 62-64.
11. Сорокопуд А.Ф. Разработка и совершенствование роторных распылительных аппаратов с целью интенсификации процессов в гетерогенных газожидкостных системах: Дис. ... докт. техн. наук. Кемерово, 1998. 529 с.
Поступило в редакцию 29 ноября 2001 г. После переработки 22 января 2002 г.
