CC BY
25DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2019.01.018 УДК 665.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДИНАМИКИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИСЦЕЛЛ ВЫСОКООЛЕИНОВОГО ПОДСОЛНЕЧНОГО МАСЛА С РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
С.М. Волков, Г.Е. Мельник, А.В. Федоров, А.Г. Новоселов, А.А. Федоров,
И.С. Ковальский
В статье исследована зависимость коэффициента динамической вязкости мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла при различных концентрациях и температурах, приближенных к условиям процесса дистилляции в маслоэкстракционном производстве. Показано, что численные значения коэффициента динамической вязкости мисцелл высокоолеиновых подсолнечных масел возрастают по сравнению с аналогичными показателями мисцелл подсолнечного масла линолевого типа. Экспериментальные данные зависимости коэффициента динамической вязкости мисцелл от температуры аппроксимированы экспоненциальной функцией. Изменение значений коэффициента динамической вязкости от концентрации мисцеллы так же имеет экспоненциальный характер. Установленная зависимость позволяет выделить интервалы концентраций мисцеллы с определённой средней скоростью изменения коэффициента динамической вязкости мисцелл, что позволяет формировать новые подходы к решению задач повышения эффективности сенсорного контроля качества мисцелл, а также энергоэффективности процесса дистилляции в целом.
Ключевые слова: реологические свойства, пищевые растительные масла, мисцелла, высокоолеиновое подсолнечное масло, коэффициент динамической вязкости, моделирование, аппроксимация.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наблюдается существенный рост производства высокоолеинового подсолнечного масла в соответствии с ростом его потребления в кондитерской промышленности и системе общественного питания [1,2]. Повышение объёмов потребления высокоолеинового подсолнечного масла обусловлено высокой устойчивостью высокоолеинового подсолнечного масла к окислению при повышенных температурах [1,2,3]. Состав высокоолеинового подсолнечного масла близок к составу оливкового масла и поэтому в торговых сетях наблюдается рост продаж нерафинированного высокоолеинового подсолнечного масла, используемого в качестве самостоятельного пищевого ингредиента [2].
Подсолнечные масла классифицируются по содержанию олеиновой кислоты в их жировой фракции на низкоолеиновые - с содержанием олеиновой кислоты менее 39,4%, среднеолеиновые - с содержанием олеиновой кислоты приблизительно 40 -70% и высокоолеиновые - с содержанием олеиновой кислоты приблизительно 75% и более [4].
Нерафинированное высокоолеиновое подсолнечное масло вырабатывается прессо-
вым способом из семян подсолнечника с содержанием олеиновой кислоты в жирнокис-лотном составе более 70%. Производство рафинированного высокоолеинового подсолнечного масла осуществляется как за счёт переработки прессового нерафинированного высокоолеинового подсолнечного масла, так и за счёт переработки масла, полученного экстракционным способом с последующей дистилляцией [5].
Сведения о реологических свойствах растительных масел используются как при расчётах прессового оборудования, так и при расчётах экстракционного и дистилляционного оборудования. Исследованию реодинамических свойств пищевых растительных масел (ПРМ) посвящено множество публикаций, наиболее детальными из которых являются работы [6,7,8,9,10]. При исследовании реологических свойств ПРМ было установлено, что коэффициент динамической вязкости ПРМ зависит прямо пропорционально от суммарного содержания мононенасыщенных жирных кислот (МНЖК) и обратно пропорционально суммарному содержанию полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) [6]. Для жидких ПРМ была предложена модель бингамовской жидкости [6].
В другой работе была исследована зависимость коэффициента динамической вязкости оливковых масел от температуры, для описания которой предложено использовать уравнение Андраде - Аррениуса [7]. На этом основании для жидкого состояния этих масел была предложена модель ньютоновской жидкости [7].
Исследования реологических свойств нерафинированных и рафинированных высокоолеиновых подсолнечных масел, подсолнечных масел линолевого типа и оливковых масел были проведены в работе [8]. Как показано в работе [8] коэффициент динамической вязкости высокоолеинового подсолнечного масла примерно на 20% выше аналогичного показателя подсолнечного масла линолевого типа. Поэтому, полученные результаты работы [8], подтверждают закономерность, сформулированную в работе [6]. Однако для адекватного описания всего объёма полученных экспериментальных данных авторы исследований [8] предложили для жидкого состояния ПРМ, в том числе и для высокоолеинового подсолнечного масла, модель псевдопластичной жидкости». Как было показано в работе [8] предложенные в работах [6,7] модели бингамовской жидкости и ньютоновской жидкости не соответствуют полному объёму данных, имеющихся в литературе, о реологических свойствах ПРМ.
Реологические свойства подсолнечного масла линолевого типа и его мисцелл были исследованы в работе [9]. При этом были получены данные о характере зависимостей коэффициента динамической вязкости от напряжения сдвига, градиента скорости сдвига, а также от температуры как подсолнечного масла линолевого типа, так и мисцелл этого масла. Предложенная в данной работе уточнённая модель псевдопластичной жидкости в форме уравнения (1) для мисцелл подсолнечного масла линолевого типа адекватно описывала весь набор численных значений их реологических свойств в исследованном интервале концентраций, а так же особенности поведения функции т = /(у), ^ = /(у) и ^ = /(т), связанные с наличием у ПРМ реопекти-ческих свойств
= 1
^m -exp (—)
(1)
при этом зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры моделировалась уравнением
где Лт и £т - постоянные величины, т - порядковый номер.
Анализ данных исследований в области реологии ПРМ показал, что реологические свойства ПРМ изучены и представлены в многочисленных литературных источниках. Однако сведений об аналогичных свойствах высокоолеиновых подсолнечных масел, кроме как в работе [8], приведено не было. Причём реологические свойства мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла вообще не исследовались.
Таким образом, исследование реологических свойств мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла является актуальной и важной научно-технической задачей.
Целью настоящей работы является исследование характера изменений коэффициентов динамической вязкости мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла с различной концентрацией в температурном интервале, соответствующем температурным условиям дистилляционного процесса.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Нерафинированное высокоолеиновое подсолнечное масло, на основе которого готовились мисцеллы, имело следующий жирнокис-лотный состав: пальмитиновая кислота (С 16:0) - 3,9%; стеариновая кислота (С18:0) - 3,7%; олеиновая кислота (С18:1) - 80,5 %; линолевая кислота (С18:2) - 10,9 %; арахиновая кислота (С20:0) - 0,2%; бегеновая кислота (С22:0) - 0,8 %.
Данные по жирнокислотному составу нерафинированного подсолнечного масла были получены в соответствии с ГОСТ 31663-2012, ГОСТ Р 51486 -99 и ГОСТ Р 51483 -99 на газожидкостном хроматографе «Bruker- Scion 436 GS». При этом использовалась капиллярная колонка BR-Swax (catal. # BR 89377) длиной 30м, диаметром 0,25мм, и активной фазой на основе полиэтиленгликоля.
Для определения характера изменений реологических свойств мисцелл от содержания олеиновой кислоты в жировой фракции подсолнечных масел необходим сравнительный анализ экспериментальных данных для высокоолеинового подсолнечного масла с аналогичными данными работ [9], полученных идентичным способом.
Жирнокислотный состав нерафинированного подсолнечного масла линолевого типа, в
т
Т
исследованиях [9], имел следующее содержание компонентов, выраженное в относительных %, а именно: миристиновая кислота (С14:0) -0,1%; пальмитиновая кислота (С 16:0) - 6,2 %; пальмитолеиновая кислота (С16:1) - 0,1%; стеариновая кислота (С18:0) - 3,0 %; олеиновая кислота (С 18:1) - 27,1%; линолевая кислота (С18:2) - 62,3%; линоленовая кислота (18:3) -0,1%; арахиновая кислота (С20:0) - 0,2%; гондо-иновая кислота (С20:1) - 0,1%; бегеновая кислота (С22:0) - 0,6%; лигноцериновая кислота (С24:0) - 0,2%.
Для наших исследований были приготовлены мисцеллы - взаиморастворимые смеси н-гексана и модельного образца нерафинированного высокоолеинового подсолнечного масла с тремя концентрациями, рассчитанными по содержанию масла, а именно, 96,4%, 80,7%, 63,0%. В качестве растворителя был использован н- гексан марки ХЧ с температурой кипения 68,74оС и содержанием н-гексана 99,9%.
Измерения реодинамических свойств образцов чистых подсолнечных масел и их мисцелл, проводились при помощи вискозиметра модели Rheotest RH 4.1 в комплекте с термостатом, как и в работах [8,9].
Экспериментальные данные представлены на рис. 1-5. Данные для чистого, нерафинированного высокоолеинового подсолнечного масла приведены в данной работе для концентраций по маслу 100%, а для чистого н-гексана для концентраций по маслу 0%.
0,03
0,025
0,02
го
m 0,015
0,01
0,005
20
40
60 80
Т, °С
100
Мисцелла 96.4% высокоолеинового подсолнечного масла Мисцелла 80.7% высокоолеинового подсолнечного масла
• Мисцелла 63.0% высокоолеинового подсолнечного масла
• Нерафинированное высокоолеиновое подсолнечное масло
Рисунок 1 - Зависимость коэффициентов динамической вязкости нерафинированного высокоолеинового подсолнечного масла и его мисцелл от температуры
0,07
0,06
0,05
о
го 0,04
IZ
à 0,03
0,02
0,01
0,00
10
30
50
70
90
110
Т, °С
• Масло подсолнечное нерафинированное Масло подсолнечное нерафинированное высокоолеиновое
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента динамической вязкости нерафинированного высокоолеинового подсолнечного масла и подсолнечного масла линолевого типа [9] от температуры
0,03
0,025
0,02
о
го с 0,015
i
0,01
0,005
0
30
50
70 Т, °С
90
110
• Мисцелла 96,4% подсолнечного масла
• Мисцелла 96,4% высоколеинового подсолнечного масла
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры при концентрации мисцеллы 96,4%
0,008
0,007
0,006
о
го с 0,005
i
0,004
0,003
0,002
30
50 70 90
Т, °С
• Мисцелла 80,7% подсолнечного масла
• Мисцелла 80,7% высокоолеинового подсолнечного масла
Рисунок 4 - Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры при концентрации мисцеллы 80,7%
0
0,003
0,0025
9 0,002
аз
С
=1 0,0015 0,001 0,0005
30
40
70
80
50 60
Т, °С
Мисцелла 63,0 % подсолнечного масла
Мисцелла 63,0 % высокоолеинового подсолнечного масла
Рисунок 5 - Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры при концентрации мисцеллы 63,0 %
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализируя рис. 1-5 видно, что, полученные в данной работе, зависимости коэффициентов динамической вязкости от температуры для высокоолеинового подсолнечного масла и его мисцелл существенно отличаются от данных реологических исследований подсолнечного масла линолевого типа и его мисцелл [9], полученных ранее на той же экспериментальной установке в аналогичных условиях. Из рис. 2 видно, что численные значения коэффициентов динамической вязкости при различных температурах чистого высокоолеинового подсолнечного масла, использованного в данной работе примерно на 15-18% выше, чем у подсолнечного масла. Эти данные соответствуют результатам исследований, представленных в работе [6], согласно которым величина коэффициента динамической вязкости для различных ПРМ возрастает с ростом суммарного значения МНЖК в жирнокислотном составе этих ПРМ.
Суммарное содержание МНЖК в высокоолеиновом подсолнечном масле,исследован-ном в данной работе существенно выше, чем аналогичный показатель у подсолнечного масла, исследованного нами в работах [8,9]. Согласно рис. 3, у мисцеллы высокоолеинового подсолнечного масла с концентрацией 96,4% коэффициенты динамической вязкости примерно на 10-12% выше, чем аналогичные величины у мисцеллы подсолнечного масла линолевого типа. Численные значения коэффициентов динамической вязкости мисцеллы высокоолеинового подсолнечного масла с концентрацией 80,7%, представленные на рис. 4, примерно на 5-7% выше, чем аналогичные величины мисцеллы подсолнечного
масла линолевого типа на том же рисунке. Однако при концентрациях мисцелл 63,0%, данные для которых представлены на рис. 5, численные значения коэффициентов динамической вязкости мисцеллы высокоолеинового подсолнечного масла практически совпадают с численными значениями коэффициентов динамической вязкости мисцеллы подсолнечного масла линолевого типа. То есть изменение разницы численных значений коэффициентов динамической вязкости мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла и подсолнечного масла линолевого типа при изменении концентрации мисцелл носит закономерный характер.
Таким образом, сравнительный анализ данных представленных на рис. 2-5, позволяет установить, что численные значения коэффициентов динамической вязкости мис-целл высокоолеинового подсолнечных масла увеличиваются по сравнению с аналогичной величиной для подсолнечного масла линоле-вого типа в соответствии с ростом содержания олеиновой кислоты в жирнокислотном составе подсолнечного масла. Однако влияние содержания олеиновой кислоты в жирнокислотном составе подсолнечного масла на численные значения коэффициентов динамической вязкости мисцелл ослабевает по мере снижения концентрации подсолнечного масла в мисце-лле. При концентрации мисцелл приблизительно равной 63,0% данная закономерность выражена слабо.
Полученные экспериментальные данные, аналогично работе [9], аппроксимировали функцией (2), по форме соответствующей уравнению Андраде-Аррениуса для ньютоновских жидкостей [7]. При этом постоянные коэффициенты в уравнении (2) для подсолнечного масла линолевого типа и высокоолеинового подсолнечного масла имели различные значения. Однако с учётом того, что согласно результатам работы [8] реологические свойства высокоолеинового подсолнечного масла адекватны модели псевдопластичной жидкости, выводы о модели мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла можно будет сделать после проведения полного комплекса реологических исследований этих мисцелл. Окончательная же форма математической функции для модели псевдопластичной жидкости может быть получена только после исследований характера изменений функций т = /(к), М = /(к) и ^ = /(т) для высокоолеинового подсолнечного масла и его мисцелл в режиме программируемого увеличения градиента скорости сдвига с последующим его снижением.
По данным, представленным на рисунке 1, может быть определена зависимость коэффициента динамической вязкости мисцеллы высокоолеинового подсолнечного масла от концентрации этой мисцеллы, которая представлена на рисунке 6. Представленные на рис. 6 данные для чистого, нерафинированного высокоолеинового подсолнечного масла соотносятся с концентрацией по маслу 100 %, а для чистого н-гексана с концентраций по маслу 0 %.
0
0
20
80
100
40 60
вес.%
—•— Мисцелла высокоолеинового подсолнечного масла —•— Мисцелла подсолнечного масла
Рисунок 6 - Зависимость коэффициента динамической вязкости мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла и подсолнечного масла линолевого типа от весовой концентрации (вес.%) при температуре 40 0С
Экспериментальные данные для высокоолеинового подсолнечного масла были аппроксимированы функцией (3)
\1 = 0,00002 •е0
(3)
где С - весовая концентрация высокоолеинового подсолнечного масла в %.
При сравнении данных для высокоолеинового подсолнечного масла и данных работы [9] для подсолнечного масла линолевого типа выделен сходный характер закономерностей, указывающий на сходство моделей жидкого состояния обоих масел, подтверждённый в работе [8].
Экспоненциальная функция (3), аппроксимирующая расчетные данные рисунка 6 позволяет установить интервалы концентраций, в которых средние скорости изменения коэффициента динамической вязкости мисцеллы имеют приблизительно одинаковые значения. Так в интервале концентраций 0-50% средняя скорость изменения коэффициента динамической вязкости мисцеллы имеет наименьшее значение. В интервале концентраций 50-70% средняя скорость изменения коэффициента динамической вязкости мисцеллы незначительно возрастает. В интервале концентраций
70-90% эта величина возрастает по сравнению с начальным интервалом почти вдвое, а в интервале 90-100% средняя скорость изменения коэффициента динамической вязкости мисцеллы достигает своего максимального значения.
Полученная зависимость, представленная на рис. 6, позволяет организовать процесс дистилляции таким образом, чтобы разница концентраций входящей и выходящей мисце-ллы на каждой ступени дистилляции соответствовала интервалам концентраций, в которых средняя скорость изменения коэффициента динамической вязкости мисцеллы была приблизительно одинаковой. Это позволит сохранить структурное подобие мисцеллы в технологическом пространстве каждой ступени дистилляции и повысить энергоэффективность дистилляционной установки. Анализ характера изменения коэффициента динамической вязкости мисцеллы высокоолеинового подсолнечного масла от весовой концентрации при заданной температуре позволяет сформулировать новые подходы к решению задачи повышения эффективности сенсорного контроля качества мисцелл и готовой продукции на этапе дистилляции.
ВЫВОДЫ
Исследована зависимость коэффициента динамической вязкости мисцелл высокоолеинового подсолнечного масла при концентрациях и температурах, приближенных к условиям процесса дистилляции в маслоэкс-тракционном производстве. Показано, что численные значения коэффициента динамической вязкости мисцелл высокоолеиновых подсолнечных масел возрастают по сравнению с аналогичными показателями мисцелл подсолнечного масла линолевого типа. Данная закономерность выполняется в интервале концентраций мисцеллы по маслу 63-100%.
1. Экспериментальные данные зависимости коэффициента динамической вязкости мисцелл от температуры аппроксимированы экспоненциальной функцией (2).
2. Зависимость коэффициента динамической вязкости от концентрации мисцеллы, представленная на рисунке 6 аппроксимируется экспоненциальной функцией (3). Установленная зависимость позволяет выделить интервалы концентраций мисцеллы с определённой средней скоростью изменения коэффициента динамической вязкости мисцелл, что позволяет формировать новые подходы к решению задач повышения эффективности сенсор-
ного контроля качества мисцелл, а также энергоэффективности процесса дистилляции в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Султанович Ю.А., Дудник Е.Е., Духу Т.А. Использование высокоолеинового подсолнечного масла в мучных изделиях и во фритюре. Х11 Международная конференция «Масложировая индустрия». С-Петербург, 2012, с. 44 - 46.
2. Султанович Ю.А., Духу Т.А. Высокоолеиновое подсолнечное масло - основа для фри-тюрных масел и жиров. М.: Пищевая промышленность. 2012. №3. — с. 22-24
3. ОБрайен Р. Жиры и масла. Производство. Состав и свойства. Применение. СПб.; «Профессия», 2007.
4. Рудаков О.Б., Пономарев А.Н.,. Полянский К.К, Любарь А.В.. Жиры. Химический состав и экспертиза качества. Москва. «Де Ли Принт». 2005.
5. Арутюнян Н.С., Корнена Е.П., Янова Л.И. и др. Технология переработки жиров. Под ред. проф. Н. С. Арутюняна. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Пищепромиздат, 1998. — 452 с
6. Santos J.C.O., Santos I.M.G., Souza A.G. Effect of heating and cooling on rheological parameters of edible vegetable oils. Journal of Food Engineering, 67, (2005), р.401-405.
7. Bonnet J.- P., Devesvre L., Artaud J.,Mou-lin P. Dynamic viscosity of olive oil as function of composition and temperature : A first approach. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 2011, 113, 1019-1025.
8. Волков С.М., Новосёлов А.Г. Федоров А.В. Федоров А.А. Кулешов Б.А. Моделирование структурно-реологических свойств пищевых растительных масел. Ползуновский Вестник. 2017. №3. С. 19-26.
9. Волков С.М., Новосёлов А.Г., Федоров А.В., Федоров А.А., Ковальский И.С. Моделирование структурно-реологических свойств
мисцелл подсолнечного масла. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств - 2018, №3. - С. 12-26
10. Волков С.М., Новосёлов А.Г. Федоров А.В. Федоров А.А. Кулишов Б.А. Моделирование структурно-реологических свойств пищевых растительных масел // Ползуновский Вестник. 2017. №3. С. 19-26.
Волков Сергей Михайлович, кандидат химических наук, старший научный сотрудник отдела исследования жиров ВНИИЖиров, Санкт-Петербург, e-mail: volkovsm@vniig. org.
Мельник Геннадий Ефимович, кандидат технических наук, ведущий начный сотрудник ВНИИЖиров, Санкт-Петербург, email: [email protected].
Федоров Александр Валентинович, доктор технических наук, доцент факультета пищевых биотехнологий и инженерии, научно-исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, e-mail: [email protected].
Новоселов Александр Геннадьевич, доктор технических наук, профессор факультета пищевых биотехнологий и инженерии, научно-исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, e-mail: [email protected].
Федоров Алексей Александрович, магистрант 2 курса факультета пищевых биотехнологий и инженерии, научно-исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, e-mail: [email protected], телефон: +7 921 771-82-46.
Ковальский Илья Сергеевич, тьютор факультета систем управления и робототехники, научно-исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, e-mail: [email protected].
