CC BY
62
ВестникВГУИТ, №1, 2013_
УДК 664.1.03
Профессор В.А. Лосева, аспирант К.В. Голова, студент Н.А. Лысикова
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра технологии сахаристых веществ, тел. (473) 255-38-51
Применение пищевых волокон из сахарной свеклы для очистки диффузионного сока
В ходе экспериментальных исследований изучено влияние пищевых волокон и филь-троперлита на эффективность очистки диффузионного сока. Установлен рациональный расход комбинированного сорбента, определено время контакта сорбента с соком и температура.
The pilot study examined the effects of dietary fiber and filtroperlit on the efficiency of juice purification. The rational consumption of combined sorbent is determined, sorbent contact time with juice and temperature is defined.
Ключевые слова: адсорбция, сорбенты, пищевые волокна, фильтроперлит, эффект очистки.
Проблему повышения эффекта очистки сока, а, следовательно, и получения белого сахара, конкурентоспособного на мировом рынке, в последнее время пытаются решить с помощью дополнительного использования сорбентов и флокулянтов. Известно, что повышение чистоты очищенного сока на 1 % способствует увеличению выхода сахара на 0,3 % к массе свеклы.
Пищевые волокна (ПВ), выделенные из различного растительного сырья, характеризуются более развитой удельной поверхностью и значительным средним радиусом пор в сравнении с исходным сырьем, что определяет целесообразность их использования в качестве сорбентов [4].
Технология выделения ПВ из различных видов растительного сырья различна и зависит от его состава, строения макромолекул компонентов, особенностей сопутствующих веществ. Известные методы выделения ПВ основаны на удалении из измельченной растительной ткани низкомолекулярных веществ: моносахаридов, гликозидов, алкалоидов, минеральных соединений, либо гидролизе и экстракции сопутствующего крахмала. Существуют различные методы выделения ПВ: физические, химические, с поверхностно-активными веществами - детергентами и ферментативные [7].
В настоящее время отечественными и зарубежными учеными разработаны различные методы выделения ПВ из свекловичного жома. На кафедре технологии сахаристых
© Лосева В. А., Голова К. В., Лысикова Н. А., 2013
веществ Воронежской государственной технологической академии под руководством профессора Лосевой В. А. были разработаны способы получения волокон из боя и хвостиков сахарной свеклы, а также из свекловичного жома.
Пищевые волокна, используемые в ходе эксперимента, получали следующим образом: свекловичный жом измельчали до частиц размером от 0,2 до 2,0 мм, промывали экстрагированную свекловичную стружку водой, прессовали, высушивали до влажности 5 % и просеивали готовый продукт через сито. В работе использовали волокна с размером частиц 1,2 мм. Измельчение до частиц размером от 0,2 до 2,0 мм позволяет удалить из разрушенных клеток растворимые вещества: глико-зиды, алкалоиды, минеральные соединения, моно- и дисахариды. Если размер волокон ниже 0,2 мм, то измельченная масса плохо прессуется (стекает через сита прессов), если размер больше 2,0 мм, то свекловичная масса недостаточно обессахаривается при экстрагировании, так как остается большое количество неразрушенных клеток. Далее свекловичную стружку трехкратно промывали водой с температурой 20 С и гидромодулем 1 : 3 в течение 20 - 30 минут, что способствовало более полному удалению из разрушенных клеток растворимых веществ, промой предложено возвращать в сборник жомопрессовой воды. Промывание позволяет извлечь не только большую часть сахара, но и полностью удалить высокомолекулярные вещества (ВМС) и вещества коллоидной дисперсности (ВКД) из стружки.
ВестникВГУИТ, №1, 2013
Сорбционная емкость ПВ заполняется как положительно, так и отрицательно заряженными соединениями, так как волокна обладают значительным количеством функциональных групп на поверхности (прежде всего гидроксильных, карбонильных и карбоксильных) и являются адсорбентом смешанного типа.
Как известно [1, 2], к ВМС и к ВКД диффузионного сока относятся белки, пектиновые вещества, нуклеопротеиды, арабан, галактан, сапонин и др. Важным является удаление этих веществ на начальном этапе очистки диффузионного сока.
В состав ПВ, формирующих клеточные стенки различных растений, входят растворимые и нерастворимые компоненты. Нерастворимая фракция состоит из целлюлозы, лигнина и части гемицеллюлоз (ГМЦ), растворимая -из пектиновых веществ и растворимых ГМЦ. В ряде случаев им сопутствуют минеральные и белковые вещества. Строение этих веществ, их межмолекулярное взаимодействие определяют свойства ПВ. Химический состав ПВ, полученных из жома сахарной свеклы, представлен в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Химический состав пищевых волокон, (%)
Наименование ПВ свекловичного
Компонентов ПВ жома
Пектиновые вещества 16-18
ГМЦ 24-26
Целлюлоза 26-28
Лигнин 3-5
Суммарное содержание ПВ 75-77
Сахар 5-7
Минеральные вещества 3-5
Рассмотрим строение и свойства отдельных полимеров ПВ.
Согласно имеющимся обширным публикациям по сорбционным свойствам целлюлозы, ее следует отнести к сорбентам, имеющим развитую систему капилляров [6]. Химические свойства целлюлозы определяются наличием в -глюкозидной связи и трех гидроксильных групп в каждом глюкозном остатке.
Число карбоксильных групп в макромолекулах ГМЦ, содержащихся в глюкуроно- и арабиноглюкуроноксиланах, невелико. Их присутствие обусловливает способность полисахаридов связывать ионы металлов, органические вещества, включающие амино-, имино-и другие основные группировки [7].
Основные структурные единицы макро-
молекулы лигнина - фенилпропановые фрагменты - соединены между собой эфирными, алкил-алкильными, арил-алкильными связями. Таким образом, биополимер лигнин содержит большое количество свободных гидроксиль-ных, метоксильных, карбонильных и карбоксильных функциональных групп как в алифатических, так и в ароматических частях.
Сорбционные свойства лигнина обусловлены его строением и развитой поверхностью. Так, объем пор лигнина, определенный по сорбции паров бензола, оказался равным 1,7 м3 / г, а удельная поверхность - 3,7 м2 / г, т. е. в несколько раз выше, чем в целлюлозе [5]. В связи со своей уникальной структурой лигнин способен активно адсорбировать различные классы соединений [8].
Реакционная способность пектиновых веществ определяется наличием в них карбоксильных группировок. Присутствие свободной карбоксильной группы обуславливает способность пектинов образовывать соли (пек-тинаты) и осаждаться из растворов ионами поливалентных металлов. Все возрастающую роль пектиновые вещества получают как энтеросорбенты экологически вредных веществ: радионуклидов, солей тяжелых металлов, многих токсичных органических веществ, выводя их из организма [7].
На первом этапе работы было изучено влияние массовой доли и продолжительность контакта ПВ, вводимых в диффузионный сок, на чистоту преддефекованного сока. Исследования проводили следующим образом: в диффузионный сок (Ч = 80,42%), нагретый до температуры 55 - 60 °С, вводили навески ПВ (0,2 - 0,6 % к массе сока), перемешивали в течение 4,6 и 8 мин, сок отфильтровывали, далее проводили прогрессивную преддефека-цию по традиционной схеме.
Было установлено, что при контакте 0,4 % пищевых волокон с диффузионным соком в течение 6 минут достигается увеличение чистоты на 1,4 % по сравнению с традиционной схемой, эффект очистки увеличивается на 8,5 %. Расход ПВ более 0,4 % и увеличение продолжительности контакта сорбента с соком до 8 минут является малоэффективным, т. к. это не приводит к существенному изменению эффекта очистки. Целесообразно было продолжить изучение влияния пищевых волокон на чистоту сока II сатурации.
Аналогичная зависимость наблюдается при очистке сока до II сатурации. При контакте 0,4 % ПВ в течение 6 мин с диффузионным
ВесжнмкВГУИТ, №1,, 203
соком достигается повышение чистоты сока II сатурации на 1,45 % по сравнению с традиционной схемой, эффект очистки увеличивается на 8,44 %. Результаты представлены в табл. 2.
Т а б л и ц а 2
Зависимость чистоты сока II сатурации от массовой доли пищевых волокон, введенных в диффузионный сок
Массовая доля ПВ, % к массе сока Показатели
СВ,% Ч,% ДЧ,% Эф. оч., %
Традиц. схема 13,9 86,97 5,22 32,89
0,2 13,5 88,12 1,15 39,61
0,3 13,6 88,30 1,33 40,65
0,4 13,6 88,42 1,45 41,33
0,5 13,6 88,35 1,38 40,93
0,6 13,5 88,30 1,33 40,65
Традиционным в сахарной промышленности порошкообразным материалом, используемым в технологических процессах для улучшения процесса фильтрования сиропов, является фильтроперлит. Этот дешевый природный сорбент используется для повышения качества очищенного сока, снижения содержания солей кальция и цветности [3]. Однако его свойства реализуются не в полной мере. Поэтому исследование возможностей фильтроперлита для повышения эффективности технологических процессов сахарного производства является актуальным [9].
С целью повышения эффективности очистки нами было принято решение скомбинировать ПВ из жома сахарной свеклы и фильтроперлит и провести исследования по изучению степени удаления несахаров диффузионного сока.
Для установления рациональной массовой доли фильтроперлита в диффузионный сок (Ч = 82,14%) вводили ПВ (0,4 % к массе сока) и фильтроперлит (0,2 - 0,7 % к массе сока), перемешивали в течение 6 мин, сок отфильтровывали и далее проводили преддефе-кацию по традиционной схеме (рис. 1, 2).
Установлено, что при расходе фильтро-перлита в количестве 0,3 % и 0,4 % к массе сока совместно с ПВ достигается максимальное увеличение чистоты преддефекованного сока и минимальная цветность.
Рис. 1. Зависимость чистоты преддефекованного сока от массовой доли фильтроперлита, добавляемого в диффузионный сок совместно с 0,4% пищевых волокон
I Г П I I
1 л л I 11
Тргиема 0 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 С'ик -.трч кф ит, % к массе сока
Рис. 2. Зависимость цветности преддефекованного сока от массовой доли фильтроперлита, добавляемого в диффузионный сок совместно с 0,4% пищевых волокон
Для определения продолжительности контакта с соком ПВ и фильтроперлита в диффузионный сок вводили 0,4 % ПВ и 0,3 % фильтроперлита и 0,4 % ПВ и 0,4 % фильтро-перлита, выдерживали в течение 2; 4; 5; 6; 8 минут, сок отфильтровывали, проводили предде-фекацию и анализировали результаты (табл. 3).
В ходе анализа полученных результатов было выявлено, что при введении 0,4 % ПВ, 0,3 % фильтроперлита и продолжительности контакта с соком т = 6 мин достигается увеличение чистоты преддефекованного сока на 1,61 % по сравнению с традиционной схемой, эффект очистки повышается на 10,33 %, эффект обесцвечивания составил 61,04 %.
Положительное влияние фильтроперлита можно объяснить тем, что микрочастицы фильтровального порошка являются центрами коагуляции для ВКД сахарных растворов, которые оседают на их поверхности, в результате чего происходит укрупнение частиц, которые быстро оседают и увлекают за собой все мелкие частицы, т. е. происходит ортокинетическое и солидарное осаждение частиц [10].
ВестнщВВТУИГ, №1, 2011
Т а б л и ц а 4
Влияние пищевых волокон и фильтроперлита на качественные показатели сока II сатурации
Т а б л и ц а 3
Влияние пищевых волокон и фильтроперлита в зависимости от времени контакта с соком на качественные показатели преддефекованного сока
Массовая доля фильтроперлита, % к массе сока Массовая доля ПВ, % к массе сока Время, мин Показатели
СВ,% Ч,% ДЧ,% Эф. оч., % Цветность
Б/100СВ
Традиционная схема 13,4 83,86 1,72 11,48 2,31
0 0,4 6 13,4 84,48 0,62 15,51 1,87
0,3 0,4 2 13,3 85,22 1,36 20,24 1,5
0,4 13,4 84,44 0,58 15,25 1,87
0,3 0,4 4 13,2 85,29 1,43 20,68 1,44
0,4 13,4 85,02 1,16 18,97 1,57
0,3 0,4 5 13,4 85,36 1,5 21,12 1,27
0,4 13,4 85,28 1,42 20,61 1,26
0,3 0,4 6 13,3 85,47 1,61 21,81 0,90
0,4 13,4 85,16 1,3 19,86 1,27
0,3 0,4 8 13,4 85,11 1,25 19,54 0,97
0,4 13,2 84,81 0,95 17,63 1,44
Массовая доля ПВ, Массовая доля Время Показатели
% к массе сока фильтроперлита, контакта, СВ, % Ч, % А Ч, % Эф. оч., % Цветность
% к массе сока мин Б/100 СВ Эф. об., %
0 0 0 15,70 90,50 2,86 25,57 0,54
2 15,60 91,67 1,17 35,06 0,45 16,67
0 4 15,60 92,00 1,50 38,34 0,42 22,22
6 15,50 92,13 1,63 39,43 0,39 27,78
0,4 8 15,50 91,94 1,44 37,84 0,45 16,67
2 15,60 92,00 1,50 38,34 0,35 35,19
0,3 4 15,50 92,90 2,40 45,81 0,26 51,85
6 15,50 93,03 2,53 46,88 0,19 64,82
8 15,40 92,21 1,71 40,10 0,35 35,19
Фильтрование сока перед преддефе-кацией позволяет все адсорбированные несахара диффузионного сока удалить вместе с ПВ и фильтропер литом и тем самым предотвратить их обратный переход в сок на последующих стадиях очистки.
Исследовано совместное влияние ПВ и фильтроперлита, вводимых в диффузионный сок, в зависимости от времени контакта с соком на качественные показатели сока II сатурации. Для сравнения проводили очистку сока по традиционной схеме, а также с добавлением в сок одних только ПВ. Анализ полученных данных (табл. 4) показывает, что при контакте сорбентов с соком в течение 4 - 6 мин эффект очистки сока II сатурации увеличивается на 12,77 - 13,87 % при добавлении только ПВ,
при добавлении ПВ и фильтроперлита - на 20,24 - 21,31 % по сравнению с традиционной схемой очистки. Достигается увеличение чистоты сока II сатурации до 92,13 % и 93,03 %, соответственно. Также наблюдается минимальное содержание солей кальция в очищенном соке. Эффект обесцвечивания 27,78 % достигается при использовании ПВ, использование ПВ совместно с фильтроперлитом позволяет повысить эффект обесцвечивания до 64,82 %.
Таким образом, в результате проведенных исследований разработан способ очистки диффузионного сока с использованием в качестве сорбционного материала ПВ совместно с фильтроперлитом, схема которого приведена на рис. 3.
Вестшк,<ВТУИЩ №1,, 2013=
Рис. 3. Схема очистки по предлагаемому способу: 1 - пресс-фильтр; 2 - транспортер; 3 - подогреватель; 4 -бункер пищевых волокон и фильтроперлита; 5 - преддефекатор; 6 - дозатор пищевых волокон и фильтроперлита; 7, 11 - сборник диффузионного сока; 9 - мешалка диффузионного сока; 13 - сборник преддефекованного сока; 8, 10, 12, 14 - насосы
В процессе очистки диффузионного сока с использованием одних только ПВ достигается увеличение эффекта очистки сока на 13,86 %, ПВ совместно с фильтроперлитом - на 21,31 %. Цветность снижается на 0,15 и 0,35 D / 100 СВ, соответственно. Отличительной особенностью данного способа очистки является то, что после контакта диффузионного сока с сорбентом сок отфильтровывается перед предварительной дефекацией. Это позволяет исключить попадание коагулята ВМС диффузионного сока в среду с повышенным рН, что может привести к пептизации части несахаров. Отделение части несахаров перед преддефекацией создает благоприятные условия для повышения эффективности адсорбционной очистки в условиях преддефекации и I сатурации, так как поверхность СаСО 3 относительно свободная от ВМС, удаленных непосредственно перед преддефекацией, интенсивно сорбирует кальциевые соли азотсодержащих и безазотистых органических кислот и красящие вещества.
ЛИТЕРАТУРА
1 Сапронов, А. Р. Технология сахарного производства [Текст] / А. Р. Сапронов. - М.: Колос, 1999. - 495 с.
2 Силин, П. М. Технология сахара [Текст] / П. М. Силин. - М.: Пищевая промышленность, 1967. - 625 с.
3 Олянская, С. П. Химические реагенты на завершающей стадии очистки диффузионного сока [Текст] / С. П. Олянская, В. В. Цы-рульникова // Сахар. - 2010. - № 4. - С. 54 - 59.
4 Дудкин, М. С. Новые продукты питания [Текст] / М. С. Дудкин, Л. Ф. Щелкунов. -М.: МАИН «Наука», 1998. - 304 с.
5 Щелкунов, Л. Ф. Пища и экология [Текст] / Л. Ф. Щелкунов, М. С. Дудкин, В. Н. Корзун. - Одесса: ЦСП «Оптимум», 2000. - 517 с.
6 Казаков, Е. Д. Значение пищевых отрубей в питании и производстве пищевых продуктов [Текст] / Е. Д. Казаков, Г. П. Карпилен-ко, П. М. Коньков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 1999. - № 5. - С. 37-39.
7 Лосева, В. А. Пищевые волокна из сахарной свеклы [Текст] / В. А. Лосева, Т. В. Са-
ВестникВТУИЖ №1, 2011
нина, Л. Н. Шахбулатова и др. - Воронеж: Изд-во ВГТА, 2001. - 256 с.
8 Карманов, А. П. Самоорганизация и структурная организация лигнина / А. П. Карманов. - Екатеринбург: УрОРАН, 2004. - 270 с.
9 Савостин, А. В. Повышение эффективности использования фильтроперлита в технологии производства сахара [Текст] / А. В. Савостин // Известия вузов. Пищевая технология. - 2011. - № 5-6. - С. 49 - 51.
10 Лосева, В. А. Интенсификация очистки соков и сиропов в сахарном производстве [Текст] / В. А. Лосева. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1990. - 176 с.
REFERENCES
1 Sapronov, A. R. Technology of sugar production [Text] / A. R. Sapronov. - M.: Kolos, 1999. - 495 p.
2 Silin, P. M. Techology of sugar [Text] / P. M. Silin. - M.: Food Industry, 1967. - 625 p.
3 Olyanskaya, S. P. Chemicals in the final juice purification step [Text] / S. P. Olyanskaya, V. V. Tsyrulnikova // Sugar. - 2010. - № 4. - P. 54 - 59.
4 Dudkin, M. S. New food [Text] / M. S. Dudkin, L. F. Shchelkunov. - M.: MAIN "Science", 1998. - 304 p.
5 Shchelkunov, L. F. Food and the environment [Text] / L. F. Shchelkunov, M. S. Dudkin, V. N. Korzun. - Odessa: DSP "Optimum",
2000. - 517 p.
6 Kazakov, E. D. Nutritional value of bran in the diet and food production [Text] / E. D. Kazakov, G. P. Karpilenko, P. M. Konkov // Storage and processing of agricultural products. - 1999. -№ 5. - P. 37-39.
7 Loseva, V. A. Dietary fiber from sugar beet [Text] / V. A. Loseva, T. V. Sanina, L. N. Shakhbulatova et al. - Publ. of VSTA,
2001. - 256 p.
8 Karmanov, A. P. Self-organization and structural organization of the lignin / A. P. Karmanov. - Yekaterinburg: UrORAN, 2004. -270 p.
9 Savostin, A. V. Efficient increasing of fil-troperlit using in sugar technology [Text] / A. V. Savostin // Bulletin of universities. Food technology. - 2011. - № 5-6. - P. 49 - 51.
10 Loseva, V. A. Intensification of juices and syrups purification in sugar production [Text] / V. A. Loseva. - Voronezh: Publ. of VSU, 1990. - 176 p.
