CC BY
26УДК 664.1.03
Селективное извлечение сахарозы из свёклы методом электроплазмолиза и его влияние на технологию сахарного производства
Е.И. ВОРОБЬЁВ, д-р наук, проф. Компьенского технологического университета (UTC), Франция (е-mail: eugene.vorobiev@utc.fr) Ф. МАЙШАК, техн. директор компании «Маген», Франция (е-mail: fabien.majchrzak@maguin.com)
Введение
Компания «Маген» совместно с Компьенским технологическим университетом разработала процесс холодного электроплазмолиза сахарной свёклы при температуре окружающей среды (без подогрева) и с последующим селективным извлечением сахарозы прессованием и (или) диффузией. Научная разработка этого процесса проведена Компьенским технологическим университетом (см. список публикаций). Оборудование создано компанией «Маген» в сотрудничестве с компанией «Базис», специализирующейся в области высоковольтной техники.
Предлагаемая публикация освещает результаты многолетней работы по исследованию процесса электроплазмолиза свёклы и технологий последующего извлечения сахарозы. Предварительный электроплазмолиз перфорирует клеточные мембраны, но не разрушает стенки клетки и позволяет извлекать из неё сахарозу более избирательно по сравнению с экстрагированием после ошпаривания стружки. Поэтому сок, полученный из электроплазмолизиро-ванной сахарной свёклы прессованием или диффузией, имеет более высокую чистоту и меньшую цветность. Это позволяет применять новые упрощённые схемы очистки сока с меньшим количеством добавленной извести, облегчён-
ной фильтрацией или даже ультрафильтрацией.
Все эти вопросы также обсуждаются в статье.
Механизм
электроплазмолиза
Исследования по электрической обработке живой ткани растений велись уже в XVIII в. во Франции и Германии. Биоэлектричество известно начиная с работ Луиджи Гальвани, опубликованных в 1791 г. Приготовление пищи с помощью омического нагрева осуществлялось уже в начале XX в. Первые работы по обработке микроорганизмов электрическим током опубликованы в конце XIX в. Во второй половине XX в. исследования по обработке микроорганизмов и плодов растений током высокого напряжения активно велись в СССР и Германии. Исторический обзор по этой теме был недавно опубликован [1]. В советских и постсоветских публикациях разрушение клетки электрическим током получило название электроплазмолиз. В современной зарубежной литературе применяется другой термин: «электро-порация» клетки, под которой понимается обратимое или необратимое явление перфорации клеточных мембран под воздействием электрического поля. Данное явление интенсивно исследуется в современной биофизике и медицине, в частности, для лечения
раковых опухолей. В случае применения очень коротких электрических импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд клеточные мембраны перфорируются, и через возникшие поры становится возможным введение малых или даже больших молекул раствора (например, ДНК) внутрь клетки. Этот процесс может быть обратимым: поры в клеточной мембране могут уменьшиться или даже полностью исчезнуть после обработки электрическим током, и клетка способна полностью заживляться. Такой механизм обратимой электропорации уже используется в медицине при введении внутриклеточных инъекций. Он также очень интересен для пищевой и смежных областей промышленности в целях селективного извлечения из клетки различных биомолекул. В случае применения сильных электрических полей процесс электропорации становится необратимым, что может быть использовано для инактивации микроорганизмов (смерть клетки), а также для разрушения клетки и интенсивной экстракции. Термин «необратимая электропорация» соответствует электроплазмолизу клетки. На рис. 1 схематически показаны различные явления, к которым приводит необратимая либо обратимая электропорация.
Детальное описание механизмов элетропорации и её применения
Электропорация
+ £
необратимая Л — .-.- Смерть клетки,
*■ экстенсивная экстракция
обратимая
Введение малых молекул в клетку
•) • Селективная экстракция
Введение больших У^) молекул в клетку
т
Слияние клеток
Введение белка в клеточную мембрану
Рис. 1. Схема электропорации клеточной мембраны [2]
в технике и медицине приведено, в частности, в работе [2].
Для сферической клетки наведённый трансмембранный потенциал ит зависит от радиуса клетки R, напряжённости электрического поля Е и позиции рассматриваемой точки на поверхности мембраны [2, 3]:
um=1,5REfcos 0 (1-ехр(-/тс ),
где f — фактор, зависящий от геометрии и электрофизических свойств клетки; 0 — угол между направлением электрического поля и позицией рассматриваемой точки на поверхности мембраны; тс — постоянная времени, отражающая зарядную ёмкость клеточной мембраны. Очевидно, что величина трансмембранного потенциала ит зависит также от формы и ориентации клетки. Величина критического значения трансмембранного потенциала, необходимая для электропорации клетки, оценивается как (и ) = 0,7 — 1,2 В.
х т сг 7 7
Принимая 0 = ± п /2, t >>т с и f = 1, можем оценить критическую напряжённость поля, необходимую для электропорации клеточной мембраны: Е = (и ) /1,5R. Напри-
г сг х т' сг' 7 г
мер, принимая (ит)сг = 1В и радиус клетки R = 25*10-4 см, получим
Есг = 266 В/см. В действительности это даёт лишь грубую оценку значения Е , так как степень
сг7
электропорации клетки зависит также от её температуры (нагрева клеточной ткани) и длительности обработки. Для клеток сахарной свёклы электропорация может начинаться уже при напряжённости поля порядка Е = 100 В/см и быть наиболее эффективной для экстрагирования сахарозы при Е = 500 - 600 В/см [3].
Живая клетка сахарной свёклы находится под действием внутреннего тургорного (осмотического) давления клеточного сока. Элек-тропорация (электроплазмолиз) клеточных мембран приводит к мгновенному выплеску клеточного сока изнутри клеток на поверхность обработанного корнеплода под действием внутриклеточного давления. Это явление легко наблюдать, оно хорошо заметно визуально (рис. 2). В результате электропорации поверхность свекловичной ткани мгновенно увлажняется клеточным соком, который затем можно легко отжать прессованием. При контакте элек-троплазмолизированного образца с водой сахароза легко диффундирует из клеточного раствора в воду даже при комнатной температуре.
Эффективность электроплазмолиза клеток может быть легко установлена измерением электропроводности (электрического импеданса) образца свёклы или нарезанной стружки при низких частотах (~1 кГц). Любой вид повреждения клетки (например, тепловой, химический или электрический) приводит к нарушению целостности клеточной мембраны.
Перед электроплазмолизом После электроплазмолиза
Соответствующие влажные отпечатки
Рис. 2. Корень свёклы перед электроплазмолизом и после электроплазмолиза [4]
В результате электропроводность повреждённой ткани свёклы повышается за счёт уменьшения диэлектрического барьера мембран и стенок клетки. Индекс повреждения ткани свёклы 2 определяется по формуле
где а, а. и атах соответственно измеряемая текущая, начальная и максимально возможная электропроводность образца свёклы. Таким образом, в начальный момент времени, когда обработка свёклы (электрическая, термическая или др.) ещё не начата, а = а1 и, следовательно, 2= 0. Максимально возможная электропроводность ткани свёклы достигается при наиболее интенсивной и длительной её обработке. В этом случае а = атах и, следовательно, 2 = 1. Таким образом, при текущей обработке образца свёклы индекс повреждения ткани свёклы 2 изменяется в диапазоне 0 < 2 < 1.
На рис. 3 продемонстрированы значения индекса повреждения ткани сахарной свёклы 2 при термической (а) и электрической (б)
обработке [5]. Термическая обработка свёклы без применения электрического поля (Е = 0) приводит к постепенному повышению индекса повреждения ткани 2, однако этот процесс является медленным при температурах 50 и 60 оС. На рис. 3а показано возрастание индекса 2 в зависимости от логарифма времени. Легко заметить, что для теплового повреждения половины клеток сахарной свёклы (2= 0,5) необходимо длительное время при температуре 50 оС, около 1 ч при 60 оС и примерно 15 мин (103 с) при 70 оС. Электроплазмолиз позволяет резко ускорить повреждение ткани свёклы даже при довольно низкой напряжённости электрического поля (Е = 100 В/см), что отражается на значении индекса повреждения 2, который очень быстро повышается (рис. 3б). Даже при температурах 50 и 60 оС повреждение половины клеток сахарной свёклы (2 = 0,5) достигается за очень короткое время — порядка 0,1 с. Более того, электроплазмолиз позволяет быстро повреждать клетку даже при более низких температурах. Например, при напря-
жённости электрического поля Е = 100 В/см и температуре 40 оС половина клеток свёклы повреждается за 1,5 с (рис. 3б). Работы Компьенского технологического университета [4—6] показывают, что электроплазмолиз сахарной свёклы ещё более ускоряется с повышением напряжённости электрического поля. Так, при напряжённости 500—600 В/см время электроплазмолиза составляет всего лишь несколько миллисекунд и он является эффективным даже без подогрева (при температуре окружающей среды).
Таким образом, открываются новые перспективы для совершенствования технологии сахарного производства. В их рамках появляются следующие возможности:
♦ получать сок из электроплаз-молизированной сахарной свёклы холодным прессованием, без подогрева;
♦ получать диффузионный сок при более низких, чем применяемые в настоящее время, температурах либо за более короткое время, либо со снижением откачки сока;
♦ усовершенствовать комбини-
Термическая обработка, Е=0
103 104 Время обработки, (с)
50°С
Электроплазмолиз, Е=100 В/см
0,5 1 1,5
Время обработки, (с)
Рис. 3. Индекс повреждения сахарной свёклы 2при тепловой (а) и электрической (б) обработке
рованные методы получения сока (например, прессово-диффузион-ной технологии);
♦ упростить схемы очистки сока, полученного из электроплаз-молизированной сахарной свёклы с более низким количеством добавляемой извести или даже с применением ультрафильтрации.
Ниже приведены некоторые результаты работ Компьенского технологического университета и фирмы «Маген» по исследованию процессов прессования и диффузии из электроплазмолизирован-ной сахарной свёклы, а также по очистке полученных соков.
Прессовый метод получения сока
Электроплазмолизированная стружка свёклы подвергалась прессованию на лабораторном прессе под давлением эластичной диафрагмы в 5 бар. На рис. 4 продемонстрирован выход отжатого сока (в процентах к начальному весу свёклы) из необработанной стружки, из стружки, нагретой до 70 оС, а также из электроплазмо-лизированной стружки. Как видно из рисунка, количество отжатого
сока из необработанной свежей стружки не превышает 25 % даже после очень длительного прессования в течение многих часов. После нагрева стружки до 70 оС или электроплазмолиза выход отжатого сока значительно увеличивается и составляет 70-75 % после 30 мин, а в дальнейшем ещё медленно возрастает [7].
Хотя нагрев стружки до 70 оС позволяет увеличить выход отжатого сока, качество прессового сока невысокое. Его чистота и цветность составляют приблизительно 92,5 % и 7 800 ед. ICUMSA (рис. 5) [7]. Гораздо большая чистота сока и меньшая его цветность достигаются при холодном прессовании электроплазмоли-зированной стружки (20 оС). При этой температуре чистота и цветность отжатого неочищенного сока составляют соответственно 93,5 % и 5 600 ед. ICUMSA (см. рис. 5). Повышение температуры электроплазмолизирован-ной стружки нецелесообразно, так как практически не увеличивает выход отжатого сока, однако ухудшает его качество и приводит к значительным дополнительным
затратам энергии. После нагрева до 80 оС качество отжатого сока, полученного из электроплазмоли-зированной или необработанной стружки, примерно одинаково. Поэтому электроплазмолизиро-ванная стружка должна подвергаться холодному прессованию.
Известно, что нагрев стружки до высоких температур приводит к растворению части пектинов клетки, усиливает экстрагирование высокомолекулярных соединений, реакцию Майарда, энзи-матические реакции. Всё это приводит к ухудшению качества сока, требующего многостадийной очистки с применением большого количества извести. Улучшенное качество сока, достигаемое холодным прессованием, позволяет упростить его очистку, снизив количество добавляемой извести.
Компьенским технологическим университетом проводились работы по очистке сока, получаемого холодным прессовым методом в лабораторных условиях [8]. Стружка сахарной свёклы подвергалась электроплазмолизу (600 В/см), после чего отжималась на лабораторном прессе под
100 г
Ж
0
1
80
60
40
20
О 6
После электроплазмолиза при 20°С
Без нагрева стружки при 20°С
1000 2000 3000 4000 Время прессования, с
5000
Рис. 4. Выход отжатого сока при прессовании необработанной, нагретой до 70 оС и электроплазмолизированной стружки. Прессование производилось эластичной диафрагмой при давлении 5бар
95 г
94 ~
Ж е
92
91
Чистота Цветность
¿I
£|
9000
8000
7000
т
20°С 50°С 80°С После электроплазмолиза
80°С
5000
Рис. 5. Качественные характеристики отжатых соков, полученных на лабораторном прессе из электроплазмолизированной стружки при температурах 20, 50 и 80 оС, а также из необработанной стружки при 80 оС_
давлением 5 бар в течение 15 мин. Полученный прессовый сок подогревался до 45 оС и затем подвергался ступенчатой преддефека-ции с добавкой 2,5 кг СаО/ м3 сока в течение 30 мин. Преддефекова-ный сок подогревался до 85 оС для основной дефекации, которая производилась с добавлением различного количества извести. Общее количество извести на очистку, включая преддефекацию и основную дефекацию, варьировалось и составляло 4, 6, 8, 10 и 15 кг СаО/ м3 сока. I сатурация отжатого сока проводилась при 85 оС до значения рН = 11,2. Фильтрование сока I сатурации проводилось при температуре 50 оС и давлении 1 бар. После этого сок подвергался II сатурации при температуре 90 оС до значения рН = 9,2 и вновь фильтровался. Полученный фильтрат сока II сатурации (очищенный сок) был использован для анализов.
Было установлено, что фильтрационные свойства сока I сатурации, полученного из электро-плазмолизированной стружки, существенно улучшились по сравнению с соком, полученным после термообработки стружки. В частности, при общих затратах СаО на очистку сока 7,5 кг СаО/м3, фильтрация сока, полученного из электроплазмолизиро-ванной стружки, является удовлетворительной (значение фильтрационного коэффициента сока I сатурации было Ш = 5). Такое же значение Ек = 5 было получено после добавки вдвое большего количества извести (15 кг СаО/ м3) для очистки сока, отжатого из термически обработанной стружки. При общих затратах извести на очистку 10 кг СаО/м3 фильтрация сока, полученного из электроплазмо-лизированной стружки, является отличной (Ек = 2) и существенно лучшей, чем в случае термически обработанной стружки (Ек = 8,5). Таким образом, электроплазмолиз стружки позволяет значительно снизить количество расходуемой
на очистку извести и (или) существенно улучшить скорость фильтрации сока I сатурации, уменьшив нагрузку на фильтровальное оборудование. Очищенный сок II сатурации, полученный из элек-троплазмолизированной стружки, имел существенно лучшее качество по сравнению с соком, отжатым после термообработки стружки. Чистота очищенного сока, полученного из электроплазмо-лизированной стружки, возросла с 93,5 % (сок до очистки) до 95,5 % при общем расходе извести 8 кг СаО/м3 и до 96,2 % при общем расходе извести 10 кг СаО/м3. В случае дальнейшего увеличения расхода извести на очистку чистота сока, полученного из электроплаз-молизированной стружки, возрастала незначительно. Очищенный сок, полученный после термообработки стружки, имел меньшую чистоту (94,5 %) при том же общем расходе извести (10 кг СаО/м3).
Меньшая цветность очищенного сока, полученного из электро-плазмолизированной стружки, по сравнению с соответствующим соком, полученным из нагретой стружки, является очень заметной (рис. 6) [8].
Нужно отметить, что и другие характеристики очищенного сока, полученного из электроплазмо-лизированной стружки, были существенно лучше, чем соответствующие характеристики сока, полученного из нагретой до 80 оС стружки. Например, при расходе извести на очистку 8 кг СаО/м3 характеристики очищенного сока, полученного из электроплазмо-лизированной и нагретой до 80 оС стружки, были соответственно: количество коллоидных веществ в соке — 1,05 и 1,35 г/л, количество белков - 19,4 и 22,5 мг/л [8].
В связи с очень хорошим качеством сока, получаемого холодным прессованием электроплазмоли-зированной стружки, открываются перспективы для альтернативной мембранной очистки соков.
Впервые работы по мембранной фильтрации соков, полученных из электроплазмолизированной стружки, были проведены в Ком-пьенском технологическом университете [7, 9]. Соки, полученные холодным прессованием электро-плазмолизированной стружки, предварительно центрифугировались на лабораторной центрифуге при скорости 4 тыс. об/мин в течение 15 мин для удаления взвешенных частиц. Осветлённый сок подвергался мембранной фильтрации при комнатной температуре на лабораторном фильтре «Амикон» под давлением 2 бара и динамическом перемешивании 500 об/мин. Для фильтрования использовались полиэфирсульфоновые мембраны PES с размером пор 10, 30, 50 и 100 кДа.
Как видно из рис. 7, очищенный ультрафильтрацией сок, полученный холодным прессованием из электроплазмолизированной стружки, имеет очень хорошее качество (чистоту около 96 % и низкую цветность).
Отдельные работы были проведены по исследованию ультрафильтрации соков динамическом фильтре с вращающимся диском [9]. Они показали возможность увеличить скорость ультрафильтрации сока из электроплаз-молизированной стружки при увеличении скорости вращения диска до 1 тыс. об/мин и чистоты сока до 96,4 % при использовании мембран PES с размером пор 10 кДа.
Работами Компьенского технологического университета было также показано, что при добавке извести на прессование выход сока из электроплазмолизирован-ной стружки может быть ещё более увеличен [10].
На рис. 8 изображена диаграмма прессовой технологии получения сока из электроплазмоли-зированной стружки, реализованной в лабораторных условиях в Компьенском технологическом университете. Первое прессова-
2000 г
I
t> Q)
1600
§
0
1
0) §
1200
800
400
Очищенный сок, отжатый из нагретой до 80°С стружки
Очищенный сок, отжатый из электроплазмолизированной стружки
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
4 6 8 10 12 14 16 Щелочность сока основной дефекации, кг CaO /м3
Рис. 6. Цветность очищенных соков, полученных прессованием из электроплазмолизированной и нагретой до 80 оС стружки_
97
96
Ж
95
о"
I
s
5 94 §
93
92
2500
2000
1500
1000
500
§
I §
После электроплазмолиза 80 °С
Рис. 7. Чистота и цветность очищенных ультрафильтрацией соков, полученных прессованием из электроплазмолизированной и нагретой до 80 оС стружки. В этих опытах использовались полиэфирсульфоновые мембраны PES (Microdyn-NadirGmbH, Германия) с размером пор 30 кДа_
ние электроплазмолизированной стружки проводилось под давлением поршня лабораторного пресса 15 бар, в результате чего получали первый отжатый сок и первый отпрессованный жом. Полученный после первого прессования жом пропитывался известковым молоком при температуре 10 оС. Количество добавленного известкового молока составляло 10 % к массе свёклы, количество извести в молоке — 0,6 кг CaO/100 кг свёклы. Предварительно было установлено, что это количество добавляемой извести является оптимальным, так как при добавке извести более 0,6 кг CaO/100 кг свёклы выход сока при прессовании электроплазмолизированной стружки уже не увеличивается [10]. После подщелачивания известковым молоком жом подвергался второму прессованию, в результате чего получали второй отжатый сок и второй отпрессованный жом. После второго прессования жом всё ещё содержал повышенное количество сахарозы. Поэтому две дополнительные стадии прессования (третья и четвёртая) были
использованы с добавкой м> = 5 % либо м> = 10 % воды к массе свёклы. В результате были получены третий и четвёртый отпрессованный жом. Третий и четвёртый отжатые соки были смешаны с пер-
вым и вторым отжатыми соками для получения смешанного сока (см. рис. 8).
На рис. 9 показан выход растворимых веществ из электроплаз-молизированной стружки и из
й g
m
V
cd g
П
V
о о
Я о 8« G О
о о
Я *
fO
Стружка после элекгроплазмолиза
О
Прессование
Первый сок ]
Второй сок ]
- -►•[ Третий сок ~) ! g j © ® (D (^-Ччетвертыйс^ j J
Первый прессовый жом
Второй прессовый жом
Третий прессовый жом
Четвертый прессовый жом
« о
и «
S s s я
g
<u S U
Рис 8. Диаграмма прессовой технологии
жома (в процентах к начальному количеству растворимых веществ в свёкле) после первого, второго, третьего и четвёртого прессования согласно схеме, представленной на рис. 8. Как видно из рис. 9, добавка извести существенно повысила выход растворимых веществ после второго прессования (с 87 до 94 %). Третье и четвёртое прессование, каждое с добавкой воды в количестве м> = 5 % к массе свёклы, оказались эффективнее одного только третьего прессования с добавкой воды в количестве м> = 10 % воды к массе свёклы (рис. 9). Выход растворимых веществ составил 99,53 % при использовании третьей и четвертой стадий прессования с добавкой воды в количестве м> = 5 %, тогда как он был 98,25 % при использовании только третьей стадии прессования с добавкой воды в количестве м> = 10 %.
Общий выход смешанного сока был около 108 %. Содержание сахарозы в жоме после четырёх стадий прессования с добавкой извести было 0,23 % к массе свёклы. Содержание сухих веществ в отжатом жоме было около 39 %. В от-
сутствие подщелачивания первого отпрессованного жома выход растворимых веществ после четырёх стадий прессования не превышал 93,56 %. Соответственно в отсутствие подщелачивания потери сахара в жоме после последнего прессования всё ещё оставались высокими (-1,32 % к массе свёклы). Смешанный сок, полученный после смешения четырёх отжатых соков (при добавленной в первый прессовый жом извести), был сравнён с диффузионным соком, полученным из ошпаренной стружки на лабораторной диффузии [11]. Прессовый сок имел более высокое содержание растворённых веществ (18 оBrix вместо 14,5 ^гк), был более чистым (чистота 93,16 вместо 91,62 %), имел меньшую цветность (2 619 вместо 9 842 ед. ICUMSA), содержал меньше коллоидов (9,94 вместо 17,66 мг/г растворимых веществ) и меньше белковых веществ (0,92 вместо 2,08 мг/г растворимых веществ).
Очевидно, что схема очистки прессового сока, полученного с добавлением извести на прессова-
ние, будет отличаться от типовой схемы очистки. В одной из наших работ [12] исследовалась очистка прессового сока, полученного из электроплазмолизированной стружки с добавлением извести. Стружка после электроплазмолиза (600 В/ см) слегка отжималась на лабораторном прессе под давлением 5 бар в течение 15 с. Полученная слегка отжатая стружка пропитывалась частью отжатого сока с добавленной известью. Затем стружка подвергалась прессованию под тем же давлением в течение 30 мин. Полученный прессовый сок содержал приблизительно 3,5 кг CaO/ м3 сока. Этот сок не подвергался преддефека-ции, а сразу же подогревался до 85 ^ для основной дефекации, которая производилась с добавлением различного количества извести. Общее количество извести на очистку, включая находящуюся в отжатом соке и добавленную на дефекацию, варьировалось и составляло от 4 до 15 кг CaO/ м3 сока. I сатурация отжатого сока проводилась при 85 ^ до значения pH = 11,2. Фильтрование сока
100 г
^ 95
<о-§
<и
<и та
У I
I
В
о
о.
'о
<8 75
90
85
80
70
.алла:
С добавкой извести _.
Первое прессование
Третье Четвертое прессование прессование о 1у=5% д Iы=5%
♦ кУ= 10%
15
Время, мин
20
25
30
Рис. 9. Выход растворимых веществ при прессовании электроплазмолизированной стружки. Прессование производилось поршнем при давлении 15 бар_
20-
16 -
£
? '
и
а »
а ■в-■8-
I
Сок из электроплазмолизированной стружки, отжатый без добавления извести
Сок из электроплазмолизированной стружки, отжатый с добавлением извести
, - I »
" мм _I I I I_I I I I_I I I I I I I I I I I I_I I I_I
2 4 6 8 10 12 14 16 Общее количество извести в соке, кг СаО/м3
Рис. 10. Коэффициент фильтрации Жк сока I сатурации при различных количествах извести в соке
I сатурации проводилось при температуре 50 оС и давлении 1 бар. После этого сок подвергался II сатурации при температуре 90 оС до значения pH = 9,2 и вновь фильтровался. Полученный фильтрат сока II сатурации (очищенный сок) был использован для анализов. Качество очищенных соков, полученных из электроплазмолизи-рованной стружки с добавлением и без добавления извести на прессование, сопоставлялось.
Как видно из рис. 10, фильтрационные свойства сока I сатурации, полученного из подщелачиваемой электроплазмолизирован-ной стружки, существенно улучшились по сравнению с соком, полученным из той же стружки, но без подщелачивания [12]. В частности, при общих затратах CaO на очистку сока 6 кг CaO/ м3, фильтрация сока, полученного из подщелачиваемой электроплазмоли-зированной стружки, является отличной (значение фильтрационного коэффициента сока I сатурации было Fk - 2). Примерно такое же значение Fk = 2 было получено после добавки 10 кг CaO/ м3 для очистки сока, отжатого из элек-троплазмолизированной, но не подщелачиваемой стружки. При общих затратах извести на очистку 4 кг CaO/ м3 (из них 3,5 кг CaO/м3 уже содержалось в соке, отжатом из подщелачиваемой стружки), фильтрация является удовлетворительной (Fk = 5). Очень показательно, что даже при полном отсутствии дефекации и использовании для I сатурации только лишь сока, отжатого из электроплазмо-лизированной и подщелачиваемой стружки, фильтрация такого сока всё ещё остаётся возможной (Fk - 5).
При одинаковом общем расходе извести очищенный сок II сатурации, полученный из электро-плазмолизированной подщелачиваемой стружки, имел лучшее качество по сравнению с соком, отжатым из электроплазмолизи-
рованной, но не подщелачиваемой стружки. Чистота очищенного сока, полученного из электро-плазмолизированной подщелачиваемой стружки, составляла приблизительно 95,5 % при общем расходе извести 6 кг CaO/м3, что было больше, чем чистота сока, полученного из неподщелачива-емой стружки при том же общем расходе извести (приблизительно 94,3 %). Другие характеристики очищенного сока, полученного из электроплазмолизированной подщелачиваемой стружки, были также лучшими, чем соответствующие характеристики сока, полученного из неподщелачиваемой стружки. Например, при расходе извести на очистку 6 кг CaO/м3 характеристики очищенного сока, полученного из электроплазмо-лизированной подщелачиваемой и неподщелачиваемой стружки, были соответственно: цветность 550 и 670 ед. ICUMSA, количество коллоидных веществ в соке — 0,9 и 1,05 г/л [12].
Окончание следует
Список литературы
1. Sitzmann W, Vorobiev E, Leb-ovka N. Applications of electricity and specifically pulsed electric fields in food processing: Historical backgrounds. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2016, 37, рр. 302-311.
2. Miklavcic D. Handbook of Elec-troporation, Springer, 2016.
3. Vorobiev E. and Lebovka N.I. Pulsed Electric Field Induced Effects in Plant Tissues: Fundamental Aspects and Perspectives of Application. In: E. Vorobiev and N. Leb-ovka (Editors), Electrotechnologies for Extraction from Food Plants and Biomaterials, Springer, 2008, рр. 39-82.
4. Mahnic-Kalamiz.a S., Vorobiev Е. Dual-porosity model of liquid extraction by pressing from biological tissue modified by electroporation. Journal of Food Engineering, 2014, 137/1, pp. 76-87.
5. Vorobiev E. and Lebovka N.I. Pulse Electric Field Assisted Extraction. In: N. Lebovka, E. Vorobiev and F. Chemat (Editors), Enhancing Extraction Processes in the Food Industry. CRC Press, 2011.
6. Vorobiev E, Lebovka N. Selective Extraction from Food Plants and Residues by Pulsed Electric Field. In: F. Chemat, J. Strube (Editors) Green Extraction of Natural Products: Theory and Practice, Wiley, 2015, pp. 307-332.
7. Mhemdi H., Bals O, Grimi N., Vorobiev E. Alternative pressing/ ultrafiltration process for sugar beet valorization: impact of Pulsed Electric Field and cossettes preheating on the qualitative characteristics of juices. Food and Bioprocess Technology, 2013, vol., pp. 1-11.
8. Mhemdi H., Almohammed F, Bals O, Grimi N, Vorobiev E. Impact of pulsed electric field and preheating on the lime purification of raw sugar beet expressed juices. Food and Bio-products Processing. 2015, 95, pp. 323-331.
9. Zhu Z., Mhemdi H, Ding L, Bals O, Jaffrin M.Y., Grimi N, Vorobiev E. Dead-End Dynamic Ultrafiltration of Juice Expressed from Electroporated Sugar Beets. Food and Bioprocess Technology, 2015, 8 (3), pp. 615-622.
10. Almohammed F., Mhemdi H., Vorobiev E.Several-staged alkaline pressing-soaking of electroporated sugar beet slices for minimization of sucrose loss. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2016, n0 36, pp. 18-25.
11. Almohammed F., Mhemdi H., Grimi N, Vorobiev E. Alkaline Pressing of Electroporated Sugar Beet Tissue: Process Behavior and Qualitative CharacteristicsofRaw Juice. Foodand Bioprocess Technology. 2015, 8 (9), 1947-1957.
12. Almohammed F., Mhemdi H, Vorobiev E. Purification of juices obtained with innovative pulsed electric field and alkaline pressing of sugar beet tissue. Separation and Purification Technology, 2017, 173, pp. 156-164.
13. Lebovka N.I., Shynkaryk M., El-Belghiti K, Benjelloun H., Vorobiev E. Plasmolysis of sugarbeet: Pulsed electric fields and thermal treatment, Journal of Food Engineering, 2007, 80 (2), pp. 639-644.
14. Lebovka N.I., Shynkaryk M, Vorobiev E. Moderate electric field treatment of sugarbeet tissues, Biosystems Engineering, 2007, 96 (1), pp. 47-56.
15. Loginova K.V., Vorobiev E, Bals O, Lebovka N.I. Pilot study of coun-tercurrent cold and mild heat extraction of sugar from sugar beets, assisted by pulsed electric fields, Journal of Food Engineering, 2011, 102(4), 2011, pp. 340-347.
16. Loginova K., Loginov M, Vorobiev E, Lebovka N.I. Qualitative and filtration characteristics of sugar beet juice obtained by «cold» extraction assisted by pulsed electric field, Journal of Food Engineering, 2011, 106(2), 2011, pp. 144-151.
17. Loginova K., Loginov M, Vorobiev E. and Lebovka N.I. Better lime purification of sugar beet juice obtained by low temperature aqueous extraction assisted by pulsed electric field. LWT - Food Science and Technology, 2012, 46 (1), pp. 371-374.
18. Loginov M, Loginova K, Lebovka N, Vorobiev E. Comparison of dead-end ultrafiltration behaviour and filtrate quality of sugar beet juices obtained by conventional and «cold» PEF-assisted diffusion, Journal of Membrane Science, 377, (1-2), 2011, pp. 273-283.
19. MhemdiH., Bals O, VorobievE. Combined pressing-diffusion technology for sugar beets pretreated by pulsed electric field. Journal of Food Engineering 2016, 168, pp. 166-172.
20. Vidal O., Vorobiev E. Procédé et installation de traitement de tissus végétaux pour en extraire une substance végétale, notamment un jus. Brevet
déposé en France, №1053413 du 03.05.2010, W02011/138248 A1 du 10/11/2011.
21. Almohammed F., Mhemdi H., Vorobiev E. Pulsed electric field treatment of sugar beet tails as a sustainable feedstock for bioethanol produc-
tion. Applied Energy 2016, 162, pp. 49-57.
22. Vorobiev E, Lebovka N. Application of Pulsed Electric Fields for Root and Tuber Crops Biorefinery. In: D. Miklavcic. Handbook of Electro-poration, Springer, 2016, pp. 1-24.
Аннотация. Представлены результаты многолетних исследований Компьенского технологического университета (Франция) в сотрудничестве с компанией «Маген» (Франция) по разработке методов холодного электроплазмолиза сахарной свёклы с последующим селективным извлечением сахарозы прессованием и (или) диффузией. Электроплазмолиз (электропорация) достигается пульсирующим электрическим полем напряжённостью 400-600 В/см, которое за 7-10 миллисекунд перфорирует клеточные мембраны, но не разрушает стенки клетки и позволяет извлекать из неё сахарозу более избирательно и при более низких температурах по сравнению с экстрагированием после ошпаривания стружки. Исследованы три технологии извлечения сахара из электроплазмолизированной стружки: а) холодным прессованием в несколько стадий (с добавлением и без добавления извести); б) холодной либо теплой диффузией при менее высоких температурах; с) холодным прессованием с последующей диффузией. Показано, что получаемые из электроплазмолизированной стружки соки имеют более высокую чистоту, значительно меньшую цветность и меньшее содержание коллоидных веществ.
В результате практически вдвое уменьшается общее количество извести на очистку сока.
Также оказывается возможной фильтрация преддефекованного сока и даже ультрафильтрация диффузионного сока. Соки, полученные из электроплазмолизированной стружки холодным прессованием и прессово-диффузионным методом, являются более концентрированными. Повышается также содержание сухих веществ в жоме и снижается откачка сока. Компанией «Маген» разработаны и испытаны устройства для холодного электроплазмолиза стружки с минимальными затратами энергии.
Ключевые слова: сахарная свёкла, электроплазмолиз, селективное извлечение сахарозы, холодное прессование, диффузия, очистка сока, ультрафильтрация. Summary. This paper presents the results obtained by Technological University of Compiegne (France) in collaboration with Magun company (France) in the field of cold electroplasmolysis of sugar beet and following selective recovery of sucrose by pressing and (or) diffusion. Electroplasmolysis (electroporation) can be achieved by the pulsed electric field with intensity of 400-600 V/cm and duration of 7-10 milliseconds, which perforates cell membranes without noticeable damage of cell walls. Such treatment permits selective recovery of sucrose at lower temperature comparatively to the conventional extraction. Three technologies of sucrose recovery from electroplasmolysed sugar beet slices are investigated: a) cold pressing in several stages (with or without lime addition); b) cold or warm diffusion at lower temperatures; c) cold pressing with following diffusion. It is shown that juices obtained from electroplasmolysed sugar beet slices have higher purity, considerably lower coloured and have lower quantity of colloidal matter. As a result, the quantity of lime used for the juice purification is half lower. It is shown that even filtration of pre-limed juice or juice ultrafiltration become possible. Juices obtained from electroplasmolysed sugar beet slices by cold pressing and by pressing with following diffusion are more concentrated. Also the dry matter of obtained pulp increases and the draft can be decreased. Magun company developed and tested devises for the electroplasmolysis of sugar beet slices working with minimal energy consumption.
Keywords: sugar beet, electroplasmolysis, selective extraction of sucrose, cold pressing, diffusion, ultrafiltration.
