CC BY
46
Химия
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 2, с. 109-111
109
УДК 536.63:664.87
ТЕПЛОЕМКОСТЬ В ИНТЕРВАЛЕ 293-323 К РЯДА ВЫСУШЕННЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ
© 2007 г. В.Ф. Урьяш 1, Н.Ю. Кокурина 1, Н.В. Гришатова 2,
А.Е. Груздева 2, Н.В. Новоселова 3
1 Научно-исследовательский институт химии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 2 ЗАО «Биофит», Нижний Новгород 3 ООО «Экстрамед», Нижний Новгород
И^@^ет. ипп. ги
Поступила в редакцию 10.02.2007
В адиабатическом калориметре конструкции С.М. Скуратова измерена теплоемкость в интервале температур 293-323 К пятнадцати растительных продуктов в воздушно-сухом состоянии. Усредненные значения теплоемкости сухих продуктов аппроксимированы двухчленным полиномом.
Введение
Использование средств природного происхождения для профилактики многих заболеваний, а также создание поливитаминного минерального комплекса на натуральной, а не синтетической основе является важным фактором в деле оздоровления человека. Чтобы растения не теряли питательной ценности при переработке, необходимо разработать такую технологию, которая позволила бы наиболее полно сохранять биологически активные вещества исходного растения и наиболее эффективно усваивать организмом человека природные ресурсы. Однако большинство применяемых способов консервирования продуктов питания приводит к значительной потере ценных свойств исходного растительного сырья.
В связи с этим при получении биологически активных добавок к пище из растительного сырья была использована технология криогенного измельчения, разработанная в ЗАО «Биофит» (г. Нижний Новгород) [1-3]. Для оптимизации указанного технологического процесса получения высокодисперсных БАД необходимо знать теплоемкость Ср высушенных растительных
продуктов. Поэтому нами измерена Ср в интервале 293-323 К пятнадцати таких продуктов в воздушно-сухом состоянии.
Экспериментальная часть
Теплоемкость в интервале 293-323 К измеряли в адиабатическом калориметре конструкции С.М. Скуратова [4, 5], который был усо-
вершенствован в лаборатории термохимии НИИ химии ННГУ [6, 7]. Калориметрическая установка включала в себя термостатирующее устройство, калориметрический сосуд и электрическую схему.
Для контроля за поддержанием адиабатических условий между гильзой, в которую вставляется калориметрическая ампула, и медным стаканом расположены три спая медь-константановой дифференциальной термопары. На поверхности гильзы бифилярно намотан нагреватель. Такой способ намотки исключает влияние магнитных полей на термопару при пропускании тока через нагреватель. Сигнал от дифференциальной термопары подается на нуль-инструмент, в качестве которого используется нановольтамперметр Р341. Такое устройство позволяет поддерживать адиабатические условия с точностью 0,0003 К.
Температуру калориметра во время опыта определяли при помощи платинового термометра сопротивления по изменению температуры воды в адиабатической оболочке.
Электрическая часть установки служит для определения количества энергии в виде теплоты, введенной в калориметрическую ампулу с веществом. Количество энергии рассчитывается по формуле Джоуля-Ленца:
Q = ш-т (1)
где I - сила тока, А; U - падение напряжения на нагревателе калориметрической ампулы, В; т -время, с.
Каждый опыт по определению теплоемкости состоял из трех периодов: начального, главного и конечного, причем конечный период данного
опыта был начальным периодом последующего. В начальном и конечном периодах (продолжительность каждого из них 40-60 мин) через равные промежутки времени (5 мин) проводились измерения температуры воды в адиабатической оболочке с помощью платинового термометра сопротивления. Полученные значения соответствовали температуре калориметрической ампулы с веществом. Подъем температуры в опытах (ДТ, К) рассчитывали с точностью около
0,001 К. По абсолютной величине он был в пределах 1-1,5 К. В этой связи при расчетах теплоёмкости пренебрегали поправкой на кривизну функции С°р = ДТ).
Продолжительность главного периода была 600 с. За это время измеряли три раза поочередно падение напряжения на нагревателе ампулы и образцовой катушке и по формуле (1) рассчитывали количество энергии в форме теплоты ^, Дж), пошедшее на нагревание калориметрической ампулы с веществом. По теплоте Q, подъему температуры (ДТ), навеске (т, г) вещества, находящегося в калориметрической ампу-
ле, и теплоемкости ампулы, (Ск, Дж-К-1) по формуле (2) рассчитывали удельную теплоемкость (Ср) вещества, которую относили к Г =
= (Тн + Тк)/2, где Тн и Тк - начальная и конечная температура опыта соответственно:
ср = [^/ДТ) - Ск]/ш . (2)
Теплоемкость калориметрической ампулы определяли, заполняя ампулу бидистиллиро-ванной водой. Ее теплоемкость взяли из литературы [8]. Были поставлены опыты для различных масс воды. Взяли среднюю величину Ск, которая равнялась 61,8 Дж.
Время в опытах измерялось секундомером с погрешностью 0,1 с, что составляло 0,02% от периода пропускания тока. Падение напряжения определялось с погрешностью 0,05%, а изменение температуры калориметрической ампулы за время опыта - с погрешностью 0,001 К (0,2%). Масса загружаемых в ампулу веществ составляла 10-15 г. Ошибка определения массы на аналитических весах была < 0,001%. Таким образом, погрешность определения Ср составляет 0,5%. Для оценки погрешности измерений,
Таблица 1
Содержание воды в изученных воздушно-сухих растительных продуктах
№ Название продукта Мас.доля воды, % № Название продукта Мас.доля воды, % № Название продукта Мас.доля воды, %
I Черн. смородина 5,4 VI Черника 4,6 XI Морковь 7,9
II Яблоко 2,1 VII Крыжовник 3,1 XII Клюква 2,8
III Арония 7,9 VIII Свекла 1,7 XIII Тыква 3,5
IV Топинамбур 5,3 IX Вишня 4,1 XIV Капуста 8,9
V Овес 7,6 X Брусника 4,6 XV Петрушка 4,3
Таблица 2
Усреднение значения теплоемкости (Дж/г К) сухих растительных продуктов (обознач. продуктов см. табл. 1)
т, К I II III IV V VI VII VIII
293 1,475 1,760 1,375 0,710 1,070 1,484 1,410 1,305
303 1,600 1,880 1,630 0,980 1,170 1,622 1,560 1,492
313 1,725 2,000 1,880 1,250 1,270 1,758 1,712 1,676
323 1,850 2,120 2,140 1,520 1,370 1,894 1,860 1,860
т, К IX X XI XII XIII XIV XV
293 1,462 0,900 1,208 1,422 0,920 0,560 0,140
303 1,640 1,258 1,350 1,530 1,216 0,820 0,544
313 1,830 1,618 1,496 1,640 1,518 1,082 0,945
323 2,012 1,976 1,642 1,750 1,815 1,345 1,350
Таблица 3
Коэффициенты в аппроксимационном уравнении теплоемкости (3)
(обознач. продуктов см. табл. 1)
Коэф, I II III IV V VI VII VIII
а 1,2250 1,5200 0,8650 0,1700 0,8700 1,2107 1,1100 0,9350
Ь 0,0125 0,0120 0,0255 0,0270 0,0100 0,0137 0,0150 0,0185
Коэф, IX X XI XII XIII XIV XV
а 1,0953 0,1827 0,9187 1,2030 0,3233 0,0367 -0,6667
Ь 0,0183 0,03587 0,01447 0,0109 0,0298 0,0262 0,0403
а также проверки методики на отсутствие систематической ошибки определяли теплоемкость КС1 квалификации «хч». В интервале 293-323 К полученные нами значения теплоемкости КС1 совпали с надежными литературными данными [8] с погрешностью 0,4%.
Результаты и их обсуждение
Объектами исследования служили: черная смородина (I), яблоко (II), арония (III), топинамбур (IV), овес (V), черника (VI), крыжовник (VII), свекла (VIII), вишня (IX), брусника (X), морковь (XI), клюква (XII), тыква (XIII), капуста (XIV), петрушка (XV). Технологическая схема получения сушеных растительных продуктов включала следующие стадии: первичную подготовку (сортировка, мойка, резка на кусочки); сушку в инфракрасной сушилке; инспекцию (удаление потемневших кусочков) и дробление в дробилке ударного типа. Время сушки для различных продуктов колебалось от 6 до 20 ч, а температура - от 333 до 353 К. Предварительные опыты показали, что содержание остаточной воды в них изменялось от 1,7 до 8,9 мас.% (табл. 1). Остаточную воду определяли по убыли массы образца после его вакууми-рования (0,6 Па) при 393 К в течение одного часа. После этого масса образца оставалась постоянной.
В калориметрическую ампулу загружали воздушно-сухие образцы растительных продуктов. В изученном интервале температур теплоемкость указанных продуктов возрастает линейно. Допуская, что теплоемкость воздушносухих растительных продуктов аддитивна относительно теплоемкостей сухого продукта и воды [9] с учетом ее содержания в образце, рассчитали Ср полностью сухих продуктов. Обоснованность такого допущения подтверждается данными работ [10-12]. Усредненные значения теплоемкости сухих продуктов представлены в табл. 2. Как видно из табл. 2, полученные зависимости Ср=/(Т) можно аппроксимировать двухчленным полиномом
Ср = а + Ы, (3)
где I - температура в оС.
Коэффициенты а и b в уравнении (3) подобраны таким образом, чтобы в интервале 293323 К расчетные значения теплоемкости отличались от экспериментальных не более чем на 0,5% (табл. 3).
Выводы
1. В результате проведенных измерений теплоемкости пятнадцати воздушно-сухих растительных продуктов получено, что в интервале 293-323 К она возрастает линейно.
2. Рассчитана и аппроксимирована двухчленным полиномом теплоемкость обезвоженных растительных продуктов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минпромнауки РФ по программе «Фитонапитки», 2000-2001 гг.
Список литературы
1. Груздева А.Е., Потемкина Е.В., Гришатова Н.В., Крот А.Р. Пат. 2110194 (1998). РФ // Б.И. 1998. № 13.
2. Груздева А.Е., Потемкина Е.В., Гришатова Н.В. Пат. 2124300 (1999). РФ // Б.И. 1999. № 1.
3. Груздева А.Е., Потемкина Е.В., Плетнева Н.Б., Гришатова Н.В., Дорофейчук В.Г., Конь И.Я. Пат. 2124847 (1999). РФ // Б.И. 1999. № 2.
4. Скуратов С.М. // Коллоидн. журн. 1947. Т.9. № 2. С. 133-140.
5. Скуратов С.М., Шкитов М.С. // ДАН СССР. 1946. Т. 8. № 7. С. 631-633.
6. Николаев П.Н., Рабинович И.Б. // Тр. по химии и хим. технологии: Межвуз. сб. - Горький: Изд-во ГГУ, 1961. Вып. 2. - С. 242-250.
7. Карякин Н.В. Термодинамика ароматических гетероцепных и гетероциклоцепных полимеров. -Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 1998. - 267 с.
8. Мищенко С.П., Полторацкий Г.М. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов. - Л.: Химия ЛО, 1976. - 328 с.
9. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание / Под ред. В.П. Глушко. - М.: Наука, 1978. Т. 1. Кн. 2. - С. 310.
10. Hutchens J.O., Cole A.G., Stout J.W. // J. Biol. Chem. 1969. V. 244. N 1. P. 26-32.
11. Урьяш В.Ф., Маслова В.А., Рабинович И.Б., Молодовская Э.В., Каныгина Э.Л. // Журн. прик. химии. 1991. Т. 64. № 7. - С. 1498-1503.
12. Урьяш В.Ф., Маслова В.А., Кокурина Н.Ю. // Журн. физ. химии. 1996. Т. 70. № 10. С. 1915-1918.
HEAT CAPACITIES OF SOME DRIED VEGETABLE FOODS AT TEMPERATURES 293-323 K
V.F. Ur’yuash, N. Yu. Kokurina, N. V. Grishatova, A.E. Gruzdeva, N. V. Novoselova
Heat capacities of 15 air-dried vegetable foods have been measured in an adiabatic Skuratov calorimeter at temperatures 293-323 K. Linear fits for the average heat capacities of the dry foods have been derived.
