CC BY
113
УДК 66.061.3
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ ИЗ ВТОРИЧНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПЛОДОВО-ОВОЩНЫХ СОКОВ
Г.В. Жматова1, А.Н. Нефедов1, А.С. Г ордеев1, А.Б. Килимник2
Кафедра «Механизация и автоматизация производственных процессов »МичГАУ (1); кафедра химии, ТГТУ (2)
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: производство плодовых соков; ультразвук; экстрагирование.
Аннотация: Показано, что ультразвуковая обработка мезги яблок, свеклы и моркови оказывает воздействие на состояние и структуру растительной ткани и увеличивает выход сухих экстрагированных веществ. После вторичного отжима и ультразвуковой обработки мезги СЭВябл = 5,4 %, СЭВсвеклы = 5,2 %, СЭВморк = 5,0 %.
Экстрагирование в системе твердое тело - жидкость является одним из важнейших физико-химических процессов. Оно нашло широкое применение в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
В настоящее время возрастает количество научно-прикладных работ, посвященных перспективным методам интенсификации технологиче-
ских процессов экстрагирования [1 - 3]. К их числу относят технологии интенсивного экстрагирования с применением ультразвука [4, 5].
В пищевой промышленности ультразвук широко используется при производстве соков из плодов, ягод и овощей [6, 7].
Показано, что ультразвуковым воздействием из сырья растительного происхождения в диапазоне частот 20 кГц - 1,5 МГц возможно извлекать практически все известные соединения [8]. Однако следует отметить, что использование ультразвука не
т, * ^ „ всегда приводит к устойчивому
Рис. 1 Установка для ультразвуковой Г -1 -1
обработки плодовой мезги пол°жительн°му результату.
1 - стакан для помещения плодовой мезги; Точно пока не установлены зави-
2 - ультразвуковой аппарат иМ-2 симости степени извлечения и
разрушения извлекаемых биологически активных веществ от частоты и интенсивности ультразвука, а также от молекулярной массы [9].
Целью настоящего исследования является совершенствование технологии извлечения жидкой фракции, а вместе с ней и биологически активных веществ, при производстве плодово-овощных соков с применением ультразвукового воздействия на вторичное растительное сырье.
Методика эксперимента
Существует несколько отличных друг от друга методов получения плодовоовощных соков [10]. В настоящей работе использовали традиционную технологию: исходное сырье измельчали и подвергали первичному механическому отжиму на компрессионной установке при оптимальном давлении. Выход жидкой фракции определяли как весовым, так и объемным методами. Мезгу после первичного отжима обрабатывали следующими способами:
- добавление воды к мезге в соотношении 1 : 1 по массе с последующим интенсивным перемешиванием и вторичным отжимом;
- добавление воды в соотношении 1 : 1 с последующей ультразвуковой обработкой на установке ИМ-2 (частота ультразвука » 38 кГц) и вторичным отжимом;
- добавление к яблочной мезге воды с концентрацией фермента » 0,03 % масс. в соотношении 1 : 1 с последующим перемешиванием и вторичным отжимом..
Анализ сока и мезги проводили согласно методике ГОСТ 28562-90, а состояние растительной ткани на различных стадиях переработки - микроскопическим методом.
В качестве исходного сырья для получения соков использовали: яблоко свежее, свеклу столовую, морковь столовую согласно требованиям технологических инструкций по производству консервов.
Результаты и их обсуждение
Критерием определения оптимального давления прессования исходного сырья выбраны массовый и объемный выходы жидкой фракции. Из результатов, представленных на рис. 2 (а - в), очевидно, что одним лишь повышением механического давления и увеличением времени прессования не удается сколько-нибудь существенно повысить выход сока. Оптимальными давлениями первичного прессования на компрессионной установке являются: для яблок »5,0...6,0 МПа; свеклы »8,0.9,0 МПа.; моркови »10,0.12,0 МПа, время прессования 5. 10 мин.
Принято считать, что первичное прессование не приводит к полному выделению сока из сырья ввиду «закупоривания» большей части внешних пор. Поэтому полученную мезгу, согласно технологии [10], подвергают различным видам дополнительной обработки: тщательному механическому перемешиванию с добавлением воды; введению ферментов (большинство видов ягодной и яблочной мезги); воздействию электрического тока - электроплазмолиз (для плодов с трудно отделяющимся соком); добавлению дренажных материалов.
На наш взгляд, и, по мнению ряда авторов [7], ультразвуковая обработка мезги способствует повышению скорости внешнедиффузионного и внутридиффу-зионного процессов в системе твердое тело - жидкость не только за счет более интенсивного перемешивания, но и за счет изменения структуры растительной ткани.
На рис. 3 представлены сравнительные результаты вторичного отжима после интенсивного перемешивания мезги с водой с результатами отжима после ультразвуковой обработки на установке ИМ-2. Полученные данные показывают, что
дополнительная ультразвуковая обработка повышает выход жидкой фракции из всех видов исследуемого растительного сырья.
h, V (%, мл)
Р, МПа
а)
11, V (%, мл)
h, V (%, мл) 80
1 23456789 10
Р, МПа
б)
Р, МПа
в)
Рис. 2 Зависимости выхода жидкой фракции от давления (Р) прессования:
а - яблоки; 6 - свекла столовая; в - морковь столовая;
—•---•----•— - Г), % масс; —■—■----■— - V сока из 100 г сырья, мл
h, V (%, мл)
а)
Р, МПа
h, V (%, мл) 100 -,
80 60 40 20 0
h, V (%, мл) 100 80
60 40 20 0
3
б)
12 15
Р, МПа
в)
12 15
Р, МПа
Рис. 3 Зависимость выхода жидкой фракции после вторичного отжима от времени:
—•---•---•— - перемешивание мезги с НлО; -■-----■---■- - ультразвуковая обработка с
Н2О; а - яблочная мезга; б - свекольный жом; в - морковный жом
0
5
9
3
5
9
Полученный яблочный сок был нами проанализирован (табл. 1).
Следует обратить внимание на последний столбец табл. 1 - количество растворенных сухих веществ после ультразвуковой обработки мезги возрастает. Аналогичный результат был получен и для свеклы, и для моркови (табл. 2).
Подтверждением вышесказанному является состояние растительной ткани после механического, ультразвукового и ферментативного воздействия.
Таблица 1
Результаты анализа яблочного сока по методике ГОСТ 28562-90
№ варианта Сахар, % Кислотность, Z, % Витамин С, мг/100 г pH СЭВ, % (сухие экстрагированные вещества)
Моно- сахара Дисахара Общий
Сок после первичного отжима 6,8 1,87 8,65 0,2 1,76 4,95 9,4
Вторичный отжим (интенсивное перемешивание) 5,0 0,24 5,24 0,1 0,86 4,95 4,3
Вторичный отжим (ультразвуковая обработка) 5,2 0,26 5,46 0,1 0,88 4,95 5,4
Таблица 2
Результаты анализа соков свеклы и моркови по методике ГОСТ 28562-90
Способ обработки Свекла Морковь
pH СЭВ,% pH СЭВ,%
Первичный отжим 6,4 7 6,8 9,0
Вторичный отжим (интенсивное перемешивание) 6,5 4,3 6,8 4,0
Вторичный отжим (ультразвуковая обработка) 6,5 5,2 6,8 5,0
Клетки натурального яблока имеют округло-овальную форму, с постенно заполненной цитоплазмой, вакуоли заполнены клеточным соком с множеством кристаллических включений (палочковидных), напоминающие игольчатые рафи-ды (рис. 4).
Клетки мезги после механического пресса имеют округло-овальную форму.
Они собраны группами (ткани), но много и одиночных пустых (без содержимого) клеток. Зернистая масса окружает клетки. Содержимое клеток занимает центральное или постенное положение (рис. 5). Рис. 4 Вид клеток натурального яблока
Рис. 5 Вид клеток мезги после механического воздействия (прессование)
После обработки ферментами и нического прессования мезги в большинстве своем клетки одиночны, не объединены в ткань (группу клеток), без содержимого. Межклеточное вещество лизировано. Клетки не имеют структуры, многие из них бесформенны (рис. 6).
Клетки мезги после обработки ультразвуком и механического прессования в основном овальной формы собраны в группы, но много одиночных клеток без содержимого. Малая часть клеток не имеет формы, они также пустые. Содержимое клеток занимает либо центральное, либо постенное положение (рис. 7).
На основании представленных данных можно заключить:
- более полного извлечения жидкой фракции из растительного сырья добиться одним лишь усилением механического воздействия на него не удается;
- очевидна необходимость применения различных методов интенсификации экстрагирования в направлении увеличения активности массообменных процессов (ультразвуковые, электрические, импульсные, дискретно-импульсные и ферментно-препараторные процессы);
- наиболее перспективным является дополнительная ультразвуковая обработка растительного сырья;
- ультразвуковая обработка мезги яблок на установке ИМ-2 оказывает определенное воздействие на состояние и структуру растительной ткани, но не столь эффективное, как воздействие ферментных препаратов;
- для разработки теоретических основ ультразвуковой технологии, обеспечивающей интенсивный ресурсосберегающий процесс экстрагирования жидкой фракции с одновременным извлечением биологически активных веществ из растительного сырья, и ее промышленной реализации необходимы дальнейшие испытания и решение комплекса задач от методики лабораторных исследований до разработки методов расчета технологических параметров процесса и его аппаратурного оформления.
Рис. 6 Вид клеток после обработки ферментами и прессования
Рис. 7 Вид клеток после прессования и ультразвуковой обработки
Список литературы
1 Бутиков, В.В. Интефикация процессов в массообменном оборудовании химических производств наложением электрических полей / В.В. Бутиков // Электронная обработка материалов. - 1983. - №4. - С. 30 - 32.
2 Жарик, Б.Н. О разрушении клеточных оболочек растительной ткани при электроплазмолисе / Б.Н. Жарик, Л.И. Краженко, В.С. Мельничук // Электронная обработка материалов. - 1990. - №8 - С. 67 - 67.
3 Кардашов, Г. А. Физические методы интенсификации процессов химических технологий / Г. А. Кардашов. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.
4 Фридман, В.М. Физико-химическое действие ультразвука и ультразвуковая аппаратура для интенсификации химико-технологических процессов / В.М. Фридман. - М.: НИИХМ. 1965. - 213 с.
5 Аграпат, Б.А. Основы техники и физики ультразвука / Б.А. Аграпат, Н.М. Дубровин, Н.Н. Хавский. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.
6 Г насюк, Г.Н. Применение ультразвука для повышения сокоотдачи винограда / Г.Н. Гнасюк, М.В. Левина, В.Т. Поновски. - В кн.: Применение ультразвука. - М.: ЦНИТИ электропром, 1960. - С. 141.
7 Гнасюк, Г.Н. Ускорение кристаллизации винного камня при воздействии ультразвука / Г. Н. Гнасюк, И. П. Дульнева, В. Г. Поповский. - В кн.: Применение ультразвука. - М.: ЦНИТИ электропром, 1960. - С. 73.
8 Молчанов, Г.И. Интенсивная обработка лекарственного растительного сырья / Г. И. Молчанов. - М.: Медицина, 1981. - 206 с.
9 Жарова, Е.Я. Применение ультразвука при кристаллизации глюкозы / Е.Я. Жарова. - М.: ЦНИИ и ТЭИ пищ. пр-сти, 1974. - 32 с.
10 Сборник технологических инструкций по производству консервов // ВНИИ консервной и овощесушильной пр-сти. - М.: Пищевая пр-сть, 1977.
To the Problem of Ultrasound Application for Liquid Fraction Infusion from Recycled Raw Materials in the Production of Fruit-and-Vegetable Juices
G.V. Zhmatova1, A.N. Nefedov1, A.S. Gordeev1, A.B. Kilimnik2
Department of Mechanization and Automation of Production Processes, MichGAU (1); Department of Chemistry, TSTU (2)
Key words and phrases: fruit juices production; ultrasound; infusion.
Abstract: It is shown, that ultrasound processing of apples, beets and carrots pulp influences the state and structure of tissue and increases the yielding of dry extracted substances (DES). After the secondary squeezing and ultrasound processing of pulp
DESapples = 5,4%, DESbeets=5,2%, DEScalTOts=5,0%
Zur Frage der Anwendung des Ultraschalls für die Extrahierung der flüssigen Fraktion aus dem sekundären Pflanzenrohstoff in der Erzeugung von Obstgemüsesäften
Zusammenfassung: Es ist gezeigt, daß die Ultraschallbearbeitung der Äpfel-, Zuckerrübe- und Mohrrübemaische einen Einfluß auf den Zustand und auf die Struktur des Pflanzengewebes ausübt und den Ertrag der trockenen Extrahierstoffe (TES) steigert. Nach dem sekundären Abpressen und der Ultraschallbearbeitung von Maische sind Äpfel-TES = 5,4 %, Zuckerrübe-TES = 5,2 %, Mohrrübe-TES = 5,0 %.
Sur le problème de l’emploi de l’ultra-son pour l’extraction de la fraction liquide à partir de la matière végétale secondaire lors de la production des jus de fruits et de légumes
Résumé: Est montré que le traitement ultra-sonore de la pulpe des pommes, de la betterave et de la carotte exerce une influence sur la structure du tissu végétal et augmente la sortie des matières extraites sèches (MES). Après le second essorage et le traitement ultra-sonore de la pulpe MES des pommes = 5,4%, MES de la bettrave = = 5,2%, MES de la carotte = 5,0%.
