CC BY
41
УДК 663.9
Отечественная технология получения -
антиокислителя аскорбата натрия
Л. В. Новинюк, канд. техн. наук, М. Ю. Кукин, канд. техн. наук, И. Б. Новицкая, канд. техн. наук
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок, Санкт-Петербург
При производстве пищевых продуктов для предотвращения окислительной порчи и увеличения срока годности в настоящее время достаточно широко используют пищевую добавку аскорбат натрия, обладающую высокой антиоксидантной способностью. В мясных и колбасных изделиях аскорбат натрия защищает жиры от окисления и позволяет снизить дозировку нитритов. Важным преимуществом аскорбата натрия является его безопасность для здоровья человека. В отличие от аскорбиновой кислоты его использование не за-кисляет продукт и не ухудшает его вкусовые свойства.
Однако в России аскорбат натрия как пищевую добавку не производят. Востребованный в пищевой промышленности аскорбат натрия ввозят из-за рубежа, поэтому разработка отечественной технологии пищевой добавки антиокислителя Е301 представляет собой важную и актуальную задачу.
С целью создания конкурентоспособной технологии аскорбата натрия было изучено влияние состава сырья, способа кристаллизации, температуры и продолжительности процессов на закономерности его получения. Экспериментальные исследования по синтезу аскорбата натрия проводили в реакторе, обеспечивающем термостатирование, перемешивание и измерение рН. Выделение кристаллов продукта проводилось в вакуум-кристаллизаторе при поддерживании заданного значения остаточного давления, регулировании интенсивности и температуры кипения раствора.
На основе теоретических представлений о направленности и кинетике химических реакций установлена возможность синтеза аскорбата натрия при взаимодействии аскорбиновой кислоты с гидроксидом натрия, карбонатом или бикарбонатом на-
трия по нижеприведенному уравнению:
+ ЫяОН (ЫаНСО, I
Изучение потенциальных источников сырья позволило выявить технологические особенности реагентов и осуществить выбор сырья для получения аскорбата натрия. Было установлено, что при нейтрализации аскорбиновой кислоты раствором
ЫаОН процесс завершается в эквивалентной точке при значении рН=7,5, а при использовании для этих целей бикарбоната натрия - при эквивалентном значении рН=5,6. Эквивалентные значения рН 5,6 и 7,5 обеспечивают строго стехиометрический расход соответственно бикарбоната и гидроксида натрия, а процесс с использованием гидроксида натрия допустимо завершать при рН в пределах от 6,0 до 9,0 [1].
Получаемые в результате нейтрализации растворы могут проявлять характерную для аскорбата натрия особенность окисляться кислородом воздуха до биологически неактивной 2,3-дикето-1_-гулоновой кислоты, причем скорость окисления возрастает с повышением температуры. Показано, что использование карбоната и бикарбоната натрия позволяет проводить синтез в атмосфере образующегося инертного углекислого газа и защитить продукт от окисления. При этом существенным недостатком является выделение значительных объемов углекислого газа, что резко снижает производительность оборудования и выпуск продукции.
В результате проведенных исследований предложен способ получения аскорбата натрия, предусматривающий использование в качестве сырья двух нейтрализующих реагентов -гидроксида и бикарбоната натрия, обеспечивающий условия, исключающие процесс окисления. Поскольку нейтрализация является экзотермической реакцией, а тепловой эффект, как было установлено, составляет около 280 кДж на 1 кг аскорбиновой кислоты, синтез необходимо проводить при температуре не выше 40 °С с охлаждением реактора [2].
Рис. 1. Зависимость выхода кристаллизата от продолжительности процесса при различных температурах: 1 - 1=60 °С, 2 - 1=50 °С, 3- 1=40 °С
RAW MATERIALS AND FOOD ADDITIVES
ГI родо.1 жнтельность кристаллизации,
Рис. 2. Кинетические кривые изменения массы кристаллизата в процессе кристаллизации при различных температурах: 1 - 1=60 °С, 2 - 1=50 °С, 3- 1=40 °С
Рис. 3. Принципиальная технологическая схема получения аскорбата натрия
Определены оптимальные массовые соотношения между исходными реагентами (аскорбиновой кислотой, раствором гидроксида натрия и бикарбонатом натрия) и установлены режимы их взаимодействия, обеспечивающие эффективное проведение процессов синтеза и последующего выделения пищевой добавки Е301. Синтез осуществляется при температуре 35±5 °С, нейтрализация заканчивается в интервале значений рН от 6,5 до 8,0.
Теоретически выбор способа выделения аскорбата натрия из полученных растворов в значительной степени определяется растворимостью данного соединения. С целью выбора способа выделения была изучена растворимость аскорбата натрия в воде в интервале температур 10...60 оС. Аскорбат натрия хорошо растворим в воде и, как показали эксперименты, зависимость растворимости данного соединения от температуры в указанном интервале практически линейна, разница в растворимости незначительна и составляет около 6% по массе. Основываясь на теории кристаллизации, можно сделать вывод о малоэффективности проведения изогидрической кристаллизации аскорбата натрия, так как выход продукта при этом не превышает 12,5%.
Для получения пищевой добавки Е301 предложено новое техническое решение осуществления процесса кристаллизации в изотермических условиях из концентрированных пересыщенных растворов с массовой долей основного вещества 52-53% и степенью пересыщения 1,02-1,08. Было изучено влияние степени пересыщения, количества вносимой затравки и температуры на кинетику процесса кристаллизации, выход продукта и размер образующихся кристаллов. Установлено, что аскорбат натрия кристаллизуется при невысоких значениях коэффициента пересыщения. Предложен следующий режим проведения процесса: исходный раствор аскорбата натрия с массовой долей основного вещества около 50% упаривают под вакуумом до степени пересыщения 1,02-1,04, затем вносят затравку в количестве 0,5-1,0% от массы аскорбиновой кислоты и проводят кристаллизацию при температуре 45±5 °С в течение 3-5 ч до достижения массовой доли аскорбата натрия в суспензии около 80%. Установлено, что с повышением температуры процесс кристаллизации ускоряется, но выход кристаллизата мало зависит от температуры, размер кристаллов растет с увеличением продолжительности кристаллизации.
Изучение кристаллизации аскорбата натрия, проводимой при различных температурах в пределах 40.60 °С, позволило установить зависимость выхода кристаллической массы от продолжительности процесса (рис. 1).
Исследование кинетики изотермической кристаллизации показало, что скорость процесса возрастает с повышением температуры. Наиболее высокая скорость наблюдается на этапе интенсивного роста кристаллов (рис. 2).
Инициирование начала кристаллизации ускоряется при внесении затравочных кристаллов аскорбата натрия в количестве 0,5-1,0% от массы аскорбиновой кислоты. В результате математической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, описывающие с достоверностью в пределах 0,95-0,97 динамику образования кристаллизата в ходе проведения кристаллизации.
В ходе исследований установлено, что с целью снижения потерь отде-
ление и промывку кристаллов аскор-бата натрия от маточного раствора наиболее эффективно проводить центрифугированием с фактором разделения не менее 700, а сушку осуществлять в условиях вакуума при остаточном давлении около 13 кПа и температуре 50 °С.
Массовая доля основного вещества в опытных образцах составляла от 99,2 до 99,6% (нормативное значение - не менее 99,0%), выход аскорбата натрия на стадии кристаллизации составил около 60%. Образующиеся маточные растворы (1-й и 2-й) вместе с промывными водами предложено обрабатывать активированным углем в количестве 0,5-1,0% от массы аскорбиновой кислоты и перерабатывать по основной технологии выделения продукта. Суммарный выход целевого продукта с использованием двух маточных растворов составил около 80%. Установленные закономерности синтеза
и выделения аскорбата натрия позволили теоретически и экспериментально обосновать технологические режимы его получения.
На основе результатов проведённых исследований разработана техническая документация: технологическая инструкция на производство и технические условия на продукт - пищевую добавку аскорбат натрия.
Технологическая схема получения аскорбата натрия (рис. 3) включает взаимодействие аскорбиновой кислоты с гидроксидом натрия и бикарбонатом натрия, внесение затравки и проведение изотермической кристаллизации при выпаривании под вакуумом, центрифугирование и отделение кристаллов аскорба-та натрия от маточного раствора, их промывку и сушку.
Разработана аппаратурно-техноло-гическая схема получения аскорбата натрия, выполнен подбор оборудо-
вания и составлена его спецификация применительно к производственной мощности 500 т /год готового продукта. В основном используется стандартное эмалированное оборудование и оборудование из коррози-онностойкой стали.
Отечественная технология позволяет получать аскорбат натрия, по качеству и безопасности соответствующий требованиям ТРТС 029/2012 и международным требованиям FAO/WHO, предъявляемым к пищевой добавке Е301.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новинюк, Л. В. Технология импортозамещающей пищевой добавки Е302 - аскорбата натрия/Л. В. Новинюк, М. Ю. Кукин // Пищевая промышленность. - 2014. - № 11. - С. 46-47.
2. Заявка № 2014148608 «Способ получения пищевой добавки аскорбата натрия» приоритет от 02.12.2014.
Отечественная технология получения антиокислителя аскорбата натрия
Ключевые слова
аскорбат натрия; импортозамещение; кристаллизация; синтез; схема производства; технологические параметры
Реферат
В производстве пищевых продуктов для предотвращения окислительной порчи широко используют пищевую добавку Е301 -аскорбат натрия. В России данная пищевая добавка в настоящее время не производится. Поэтому разработка отечественной технологии аскорбата натрия представляет собой важную и актуальную задачу. В ФГБНУ ВНИИ пищевых добавок проведены исследования по синтезу и выделению аскорбата натрия, с использованием в качестве сырья аскорбиновой кислоты, гидроксида натрия и бикарбоната натрия. Изучено влияние состава сырья, способа кристаллизации, температуры и продолжительности процессов на выход пищевой добавки. Для выделения пищевой добавки Е301 предложено новое техническое решение по осуществлению процесса кристаллизации в изотермических условиях из концентрированных пересыщенных растворов. Показано, что аскорбат натрия кристаллизуется при невысоких значениях коэффициента пересыщения, изменяющегося в пределах 1,02...1,04. Исследование кинетики изотермической кристаллизации показало, что скорость процесса возрастает с повышением температуры. Наиболее высокая скорость наблюдается на этапе интенсивного роста кристаллов. Инициирование начала кристаллизации ускоряется при внесении затравочных кристаллов аскорбата натрия в количестве 0,5-1,0% от массы аскорбиновой кислоты. Установленные закономерности позволили обосновать технологические режимы получения аскорбата натрия. Схема производства пищевой добавки Е301 включает синтез аскорбата натрия, внесение затравки и проведение изотермической кристаллизации при выпаривании под вакуумом, центрифугирование и отделение кристаллов продукта от маточного раствора, их промывку и сушку. Массовая доля основного вещества в аскорбате натрия составляет не менее 99%, суммарный выход целевого продукта - около 80%. Разработаны технологическая инструкция, технические условия на продукт, аппаратурно-технологическая схема производства пищевой добавки аскорбата натрия мощностью 500 т в год. Отечественная технология даёт возможность получить аскорбат натрия, по качеству и безопасности отвечающий требованиям, предъявляемым к пищевой добавке Е301.
Авторы
Новинюк Людмила Васильевна, канд. техн. наук, Кукин Михаил Юрьевич, канд. техн. наук, Новицкая Ирина Борисовна, канд. техн. наук, 191014, г. Санкт-Петербург, Литейный пр., д. 55, vniipakk55@mail.ru
Domestic Technology for Producing Sodium Ascorbate Antioxidant Key words
sodium ascorbate; synthesis; crystallization; technological parameters; scheme of production; import substitution
Abstracts
For prevention of oxidizing decay in foodstuff production a food additive E301 - a sodium ascorbate is widely used. This food additive is not made in Russia now. Therefore development of domestic technology of sodium ascorbate represents an important and actual task. In FSBSI VNII of food additives conducted researches on synthesis and selection of sodium ascorbate, using as feedstock ascorbic acid, sodium hydroxide and sodium bicarbonate. Influence of feedstock structure, a way of crystallization, temperature and duration of processes on the yield of the food additive is studied. For selection of the food additive E301 the new technical solution of the cristallization process in isothermal conditions from concentrated supersaturated solutions is proposed. It is shown that sodium ascorbate crystallizes at low values of the coefficient of supersaturation changing ranging from 1,02 to 1,04. Research of the isothermal crystallization kinetics showed that the speed of process increases with temperature increase. The highest speed is observed at the stage of intensive crystal growth. Initiation of the beginning of crystallization is accelerated by the introduction of seed crystals of sodium ascorbate in an amount of 0,5-1,0% by weight of ascorbic acid. The determined consistent patterns allowed proving the technological modes of receiving sodium ascorbate. The E301production scheme includes synthesis of sodium ascorbate, seeding and carrying out an isothermal crystallization by evaporation in vacuo, a centrifugation and separation of product crystals from the mother solution, their washing and drying. The mass fraction of the main substance in sodium ascorbate makes not less than 99%, ultimate yield of the main product about 80%. The technological instruction, technical specifications on a product, hardware-technological scheme of sodium ascorbate production with a power of 500 t per year is developed. The domestic technology gives the chance to receive sodium ascorbate on quality and safety meeting requirements imposed to a food additive E301.
Authors
Novinjuk Ludmila Vasilievna, Candidate of Technical Science, Senior Researcher,
Kukin Mikhail Yurievich, Candidate of Technical Science, Researcher, Novitskaya Irina Borisovna, Candidate of Technical Science, Senior Researcher,
Federal State Budget Scientific Institution All-Russia Research Institute for food additives, 191014, St. Petersburg, Liteyny pr. 55, vniipakk55@mail.ru
