CC BY
52
ТЕХНОЛОГИЯ
УдК 663.8
Влияние пульсации на процесс экстрагирования
при получении спиртованных морсов для ликероводочного производства
В. А. Поляков,
д-р техн. наук, профессор,
академик РАН;
И. М. Абрамова,
д-р. техн. наук;
Г. П. Зенина,
канд. техн. наук;
Т. Ю. Аристархова;
Г. В. Стеканова
ВНИИПБТ - филиал ФГБУН
«ФИЦ питания и биотехнологии»
В основе получения спиртовых полуфабрикатов — морсов и настоев — лежит процесс экстрагирования. Все массообменные процессы подчиняются общим кинетическим закономерностям, согласно которым скорость экстрагирования пропорциональна движущей силе процесса и обратно пропорциональна диффузионному сопротивлению [1]. Диффузионное сопротивление складывается из сопротивлений основных стадий процесса: переноса вещества в частице (внутреннее сопротивление) и окружающей ее жидкости (внешнее сопротивление) [1]. Внутреннее диффузионное сопротивление можно уменьшить за счет измельчения сырья, нагревания, кипения под вакуумом, замораживания [2] и ферментативной обработки сырья [3]. На величину внешнего диффузионного
сопротивления можно воздействовать с помощью низкочастотных колебаний и вибрации [2], ультразвука [4], пульсации [5]. На гидродинамические условия протекания процесса экстрагирования оказывают влияние не только скорость и физические свойства растворителя, но и конструктивные особенности аппарата, которые могут существенно изменять внешнее диффузионное сопротивление.
Одно из наиболее перспективных направлений в совершенствовании технологии экстрагирования растительного сырья — это применение пульсационно-го способа, отличающегося простотой исполнения, надежностью в эксплуатации и щадящим режимом перемешивания, который, в то же время, позволяет обеспечить высокую интенсивность массоотдачи и интенсифицировать процесс [6]. В основе пульсационного перемешивания лежит низкочастотный колебательный импульс (0,5-5 Гц), подаваемый на компоненты от генератора, установленного вне экстрактора. Колебательный импульс приводит в движение компоненты по всему объему, причем с помощью неподвижных устройств он может быть дополнен другими видами движения, оптимальными для заданного процесса.
Основные элементы любой пульса-ционной установки — пульсационный аппарат со встроенными в него преобразователями импульсов и генератор импульсов — пульсатор. Пульсаторы создают в аппаратах колебательное движение жидкости с определенной частотой, амплитудой и формой, которые с помощью преобразователей импульсов обеспечивают требуемую для процесса гидродинамическую обстановку [7].
ПИВО и НАПИТКИ
6 • 2016
Технология
Таблица 1
Сырье Экстрактивность сырья, г/100 г Соотношение сырья и растворителя Количество сырья, кг Количество водно-спиртовой жидкости, дм3 Крепость водно-спиртовой жидкости, % Получено морса 1 слива, дм3
Клюква свежая 7,9 1:1 2,5 2,5 60 2,7
Черная смородина свежая 10,8 1:1 3,0 3,0 45 3,5
Рябина красная (сушеная) 47,0 1:4 1,2 4,8 50 3,0
В аппарате протекает основной процесс массопередачи. Перемешивание и создание поверхности массооб-мена обеспечивается пульсационно-перемешивающим устройством, встроенным в аппарат. В результате взаимодействия пульсатора и основных элементов аппарата обеспечивается интенсификация процесса экстрагирования. На рис. 1 представлена схема получения спиртованных морсов на пульсационной установке.
Пульсационная установка, предназначенная для получения спиртованных морсов, состоит из экстрактора 1, пульсационно-перемешивающего устройства (ППУ) 2, пульсатора 12, стабилизатора давления 9, ресивера 10, блока управления 13 и компрессора 8.
Экстрактор 1 представляет собой цилиндрический аппарат, изготовленный из нержавеющей стали диаметром 200 мм и высотой 500 мм, снабженный фланцами для присоединения пульсационно-перемешивающего устройства 2 и сетчатого дренажа 3 с днищем. В верхней части экстрактора 1 имеется съемная крышка, через которую осуществляется загрузка сырья и залив водно-спиртовой жидкости. Экстрактор 1 оборудован люком для выгрузки отработанного сырья 6, штуцерами с шаровыми кранами для отбора пробы 4, слива готового морса 5 и воздушником 8. К нижнему фланцу экстрактора крепится дренаж 3, представляющий собой сетку, зажатую между двумя перфорированными дисками с отверстиями диаметром 10 мм. ППУ 2 выполнено в виде цилиндрической обечайки диаметром 130 мм и высотой 500мм, закрытой сверху плоской крышкой. ППУ устанавливается внутрь экстрактора и крепится на его верхнем фланце. На крышке ППУ имеется штуцер с шаровым краном 7 для подвода пульсационного воздуха.
Для питания установки сжатым воздухом используется компрессор 9 GMS 150-24 с ресивером 11 объемом 24 л, обеспечивающий максимальное давление 0,8 МПа (8 кг/см2).
Для создания возвратно-поступательного движения компонентов в экстракторе 1 служит пульсатор 13, в
70 60
(и
¿50
^ т 40
о ^
I 30-
10 -0
0-120 210-240 450-500 Интенсивность пульсации, мм/мин
Рис. 2. Влияние интенсивности пульсации на извлечение экстрактивных веществ при получении клюквенного морса
качестве которого используется пнев-мораспределитель П-РЭ3/2,5. Стабилизация на заданном уровне давления воздуха, подаваемого на пульсацию, осуществляется с помощью стабилизатора давления 10. Применение в составе установки рабочего ресивера 11 позволяет сгладить колебания давления воздуха в системе пульсации.
Для регулирования параметров пульсации (частоты и амплитуды) служит блок управления 14, позволяющий изменять время впуска воздуха из рабочего ресивера через пульсатор в пульсационно-перемешивающее устройство и период пульсации (суммарное время впуска и сброса воздуха). Таким образом, при изменении периода пульсации меняется частота пульсационных импульсов, а изменение времени впуска воздуха приводит к изменению амплитуды пульсации.
На пульсационной установке ранее были проведены исследования по извлечению экстрактивных веществ из пряно-ароматического растительного сырья при различных режимах пульсации — частоте 4-15 кол. /мин, амплитуде 20-50мм, давлении 0,05-0,3 МПа и интенсивности 80-750 мм/мин [8, 9]. Интенсивность служит показателем пульсации и представляет собой произведение частоты пульсации на амплитуду.
Для исследования было выбрано плодовое сырье, отвечающее требованиям регионального сырьевого обеспечения
70 1 60 -
0 2
# £50-т,ь с
§ 40 -
1 |30-р-а
| 3 20 -
т
10 -0 --
0-120 210-240 450-500 Интенсивность пульсации, мм/мин
Рис. 3. Влияние интенсивности пульсации на извлечение экстрактивных веществ при получении черносмородинового морса
при производстве ликероводочных изделий — клюква, черная смородина и сушеная рябина.
В экстрактор загружали сырье, заливали водно-спиртовым раствором определенной крепости и осуществляли настаивание в условиях непрерывной пульсации.
В табл. 1 представлены технологические показатели получения спиртованных морсов пульсационным способом.
На опытной пульсационной установке были проведены исследования по извлечению растворимых веществ из свежей клюквы, черной смородины и сушеных плодов красной рябины при различных режимах пульсации — частоте 4-15 кол./мин, амплитуде 20-50мм, давлении 0,05-0,3 МПа и интенсивности пульсации 80-750 мм/мин.
В экстрактор загружали растительное сырье, заливали водно-спиртовым раствором крепостью 45% и 50% соответственно в соотношении 1:1 и 1:4 и осуществляли настаивание в условиях непрерывной пульсации. На рис. 2 представлены данные по извлечению экстрактивных веществ из клюквы при различных режимах пульсации.
На рис. 3 представлены данные по извлечению экстрактивных веществ из черной смородины при различных режимах пульсации.
В результате проведенных исследований установлено, что при интенсивности пульсации 450-500 мм/мин экстрактивных веществ извлекается
&°20
6•2016
ПИВО и НАПИТКИ 43
технология'
Таблица 2
Настаивание в условиях пульсации
Экстрактивные вещества, % от содержания в сырье
Время предварительного настаивания, ч Время экстрагирования в условиях пульсации, ч
4 8 12 16 4 8 16 24 32 40 48 60
Непрерывная пульсация - - - - - 24,7 33,1 45,0 52,8 59,6 62,0 62,1 62,2
С предварительным настаиванием 10,7 16,3 20,5 25,3 35,7 43,4 50,0 57,3 61,4 62,0 62,0 —
Таблица 3
Физико-химические показатели Органолептические показатели
Морс Крепость, % Экстрактивные вещества, г/100 см3 Сахар, г/100 см3 Кислотность, г/100 см3 Цвет Вкус Аромат
Клюквенный 31,6 4,5 1,4 1,2 Красный Кислый Клюквы
Черносмородиновый 25,0 5,8 3,0 1,3 Темно-красный Кисло-сладкий Черной смородины
Рябиновый 45,6 9,8 2,4 1,3 Коричневый Терпкий Рябины
60 -г
50 -
N 40-
Ь 20
0
1 10
ь
т 0
210-240 450-500 700-750 Интенсивность пульсации, мм/мин
Рис. 4. Влияние интенсивности пульсации на извлечение экстрактивных веществ при получении рябинового морса
30 -
больше на 5-8%, чем при интенсивности 210-240 мм/мин, но морс получается слегка мутным, что объясняется «разрушением» клеточной оболочки и дополнительным извлечением нежелательных высокомолекулярных соединений. При малой интенсивности 80-120 мм/мин эффективность пульсационного перемешивания незначительна.
Наилучшие результаты по настаиванию клюквы в условиях пульсации получены при интенсивности 210-240мм/мин. При таком режиме пульсации динамическое равновесие для первого залива наступает через 24-40 ч (из них пульсация в течение 12-16 ч) и с первым сливом извлекается 60-65% экстрактивных веществ в зависимости от вида сырья.
При классическом способе настаивание каждого залива осуществляется в течение 10 сут.
В процессе работы было изучено влияние предварительного настаивания на извлечение экстрактивных веществ из сушеного плодово-ягодного сырья при настаивании в условиях пульсации. В сушеном растительном сырье протоплазма скоагулирована и основное сопротивление диффузии растворимых веществ создает клеточная оболочка, которая представляет собой пористую перегородку.
В процессе диффузии через такую перегородку могут пройти только те вещества, размер частиц которых меньше размера пор. Из-за малого размера пор клеточных оболочек и самих клеток вещество в растворителе, заполняющем поры, переносится исключительно за счет молекулярной диффузии.
Для лучшего проникновения растворителя внутрь растительной клетки
сушеное сырье необходимо подвергать предварительному настаиванию с целью набухания и облегчения выхода растворимых веществ из пор растительного сырья к границе раздела фаз, тем самым уменьшая внутреннее диффузионное сопротивление.
В табл. 2 представлены данные по извлечению экстрактивных веществ из сушеных плодов красной рябины в условиях пульсации с предварительным настаиванием и без предварительного настаивания. Видно, что через 4 ч непрерывной пульсации извлекается 24,7% экстракта, а с предварительным настаиванием 35,7%, через 8 ч непрерывной пульсации извлекается 33,1%экстрак-та, а с предварительным настаиванием 43,4%. Динамическое равновесие при настаивании в условиях непрерывной пульсации наступает через 40-48 ч, а с предварительным настаиванием через 36-40 ч.
Для ускорения процесса экстрагирования целесообразно применять предварительное настаивание сырья в течение 12-16 ч, при этом время непрерывной пульсации сокращается до 18-24 ч.
На рис. 4 представлены данные по извлечению экстрактивных веществ из сушеных плодов красной рябины при различных режимах пульсации.
Для сушеной рябины установлено, что при интенсивности пульсации 450500 мм/мин экстрактивных веществ извлекается на 18-20% больше, чем при интенсивности 210-240 мм / мин и время настаивания для каждого залива сокращается до 48-60 ч вместо принятых для классического способа настаивания 14 сут.
Проведение процесса настаивания при интенсивности пульсации 700-750 мм/мин нецелесообразно,
так как увеличиваются потери спирта, возрастают энергозатраты и морс получается нестабильного качества. При таком режиме пульсации динамическое равновесие для первого залива наступает через 24-40 ч (из них пульсация в течение 12-16 ч) и с первым сливом извлекается 60-65% экстрактивных веществ в зависимости от вида сырья.
При классическом способе — настаивание каждого залива осуществляется в течение 10 сут.
Таким образом, в результате проведенной работы был выбран оптимальный режим пульсации:
• для свежего плодового сырья — частота 6-8 кол./мин, амплитуда 35-40 мм, давление 0,1-0,15 мПа, интенсивность 210-240 мм/мин;
• для сушеного плодового сырья — частота 10-12 кол./мин, амплитуда 40-45 мм, давление 0,15-0,25 мПа, интенсивность 450-500 мм/мин.
В табл. 3 представлены данные физико-химического и органолептиче-ского анализа спиртованных морсов, полученных пульсационным способом.
Спиртованные морсы, приготовленные пульсационным способом, по физико-химическим и органолептиче-ским показателям соответствуют требованиям, предъявляемым к морсам, получаемым классическим способом настаивания.
Таким образом, проведение процесса экстрагирования плодового сырья с применением пульсации позволяет сократить время настаивания до 2-3 сут вместо 10 сут, интенсифицировать процесс на 40-50% и получить качественные морсы для ликероводочного производства.
44 ПИВО и НАПИТКИ 6 • 2016
Технология
ЛИТЕРАТУРА
1. Аношин, И. М. Теоретические основы массо-обменных процессов пищевых производств / И. М. Аношин // М: Пищевая промышленность. 1979. — 342 с.
2. Иванов, П. П. Процесс разрушения замороженных плодов рябины красной в аппарате с вибрационной тарелкой / П. П. Иванов, А. Г. Семенов, М. А. Халтурин // Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. — 2015. — № 8. — С. 16-20.
3. Бурачевский, И. И. Исследование и разработка оптимальных технологических приемов для производства десертного напитка «Калинка»
/ Бурачевский И. И. [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2008. — № 1. — С. 15-17.
4. Абрамова, И. М.Влияние ультразвука на процесс экстрагирования при переработке плодово-ягодного сырья с применением мембранных процессов осветления морсов / Абрамова И.М. [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2015. — № 2. — С. 21-24.
5. Пульсационный способ интенсификации процесса экстрагирования растительного сырья // Ликероводочное производство и виноделие. — 2009. — №8. — С. 5-6.
6. Пат. № 2529710 Способ получения спиртованных морсов для напитков. Поляков В. А., Бурачевский И. И., Зенина Г. П., Аристархо-ва Т. Ю., Стеканова Г В.
7. Карпачева, С.М. Влияние пульсации на интенсификацию некоторых технологических процессов и новые области ее применения. В кн. Пульсационная аппаратура в народном хозяйстве. Часть 1. М: Атомиздат. 1979. — С. 5-32.
8. Зенина, Г.П. Процесс экстрагирования пряно-ароматического растительного сырья в условиях пульсации / Г П. Зенина, Т. Ю. Аристархова //Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2010. — № 1. — С. 23-25. &
Влияние пульсации на процесс экстрагирования при получении спиртованных морсов для ликероводочного производства
Ключевые слова
клюква; красная рябина; пульсация; спиртованные морсы; черная смородина; экстрагирование.
Реферат
Приведена характеристика и сущность пульсационного способа как метода интенсификации массообменных процессов, к которым относится и процесс экстрагирования растворимых веществ из растительного сырья. В основе пульсационного перемешивания лежит низкочастотный колебательный импульс (0,5-5 Гц), подаваемый на компоненты от генератора, установленного вне экстрактора. В статье представлена принципиальная схема пульсацион-ной установки для получения спиртованных морсов и принцип ее работы. На установке проведены исследования по извлечению экстрактивных веществ из плодового сырья: клюквы, черной смородины и красной рябины — водно-спиртовым раствором при различных режимах пульсации — частоте 4-15 кол. /мин, амплитуде 20-50 мм, давлении 0,05-0,3 МПа и интенсивности пульсации 80-750 мм/мин. Наилучшие результаты по настаиванию клюквы и черной смородины в условиях пульсации получены при интенсивности 210-240 мм/мин. При этом продолжительность настаивания для каждого залива сокращается до 24-40 ч, вместо принятых 10 сут при классическом способе настаивания и с первым сливом извлекается 60-65% экстрактивных веществ. Для ускорения процесса экстрагирования из сушеных плодов рябины целесообразно применять предварительное настаивание в течение 12-16 ч, при этом время непрерывной пульсации сокращается до 18-24 ч. Проведение процесса экстракции при интенсивности пульсации 450-500 мм/мин экстрактивных веществ из плодов рябины извлекается на 18-20% больше, чем при интенсивности 210240 мм/мин и продолжительность настаивания для каждого залива сокращается до 48-60 ч вместо принятых для классического способа настаивания 14 сут. По физико-химическим и органолептическим показателям спиртованные морсы, полученные пульсационным способом, соответствуют требованиям, предъявляемым к морсам, получаемым классическим способом настаивания. Показано, что проведение процесса экстрагирования плодового сырья с применением пульсационного перемешивания позволяет сократить время настаивания до 2-3 сут, интенсифицировать процесс на 40-50% и получить качественные полуфабрикаты для ликероводочного производства.
Авторы
Поляков Виктор Антонович, д-р техн. наук, профессор, академик РАН;
Абрамова Ирина Михайловна, д-р техн. наук;
Зенина Галина Петровна, канд. техн. наук;
Аристархова Татьяна Юрьевна;
Стеканова Галина Владимировна
ВНИИПБТ — филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»
111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, 4 б, [email protected]
Ripple Effect on the Extraction Process in the Preparation of Fruit Drinks Fortified for Distillery
Key words
cranberry; red ashberry; pulsation; the alcoholized fruit drinks; blackcurrant; extraction.
Abstract
The article describes the characteristics and nature of pulsation method — a method of mass transfer processes intensification, which include the process of extracting soluble substances from plant material. The pulsating mixing based on the low-frequency vibrational pulse (0.5-5 Hz) supplied to the components from the generator, which is set out of the extractor. The article presents a schematic diagram of the pulse device used for fruit drinks production and ifs operating principle. The research of extractives recovery from raw fruit — cranberry, blackcurrant and red ash through the agency of water-alcohol mixtures with the various modes of pulsation — the frequency of 4-15 times/min, amplitude of 20-50 mm, a pressure of 0.05-0.3 MRa and pulsation intensity 80-750 mm/min was conducted. The best results for cranberry and black currant insistence in a pulsation intensity were obtained at 210-240 mm/min. In this case, the duration of infusion reduced to 24-40 h, instead of the 10 days by classical method of infusion and with the first drain 60-65% extractives was removed. To accelerate the extraction process from dried ashberry the applying of preinfusion over 12-16 h is recomended, it reduces continuous pulsing time is to 18-24 h. Carrying out the extraction process in the pulsation intensity 450-500 mm/min the extraction of ashberry extractives on 1820% more than the during intensity of 210-240 mm/min, and the infusion time for each is reduced to 48-60 h instead that one by classical method of infusion — 14 days. By physic-chemical and organoleptic characteristics of spirited fruit drinks produced by pulsating manner corresponds with the requirements to fruit drinks obtained in the classical way of infusion. It has been shown that carrying out the extraction of raw fruit process using pulsation mixing reduces the time of infusion up to 2-3 days, intensify the process by 40-50% and get high-quality semi-products for the distillery.
Authors
Polyakov Victor Antonovich,
Doctor of Technical Science, Professor, Academic of RAS; Abramova Irina Mihailovna, Doctor of Technical Science; Zenina Galina Petrovna, Candidate of Technical Science; Aristarhova Tatiana Yiijevna; Stekanova Galina Vladimirovna
VNIIPBT — branch of FGBUN «FRC of nutrition and biotechnology» 4b Samokatnaya St., Moscow, 111033, Russia, [email protected]
6 • 2016 ПИВО и НАПИТКИ 45
