Исследование кинетики и обоснование технологических параметров процессов извлечения пектиновых веществ из выжимок красной смородины

Важное значение в оптимизации питания населения имеет рациональное комбинирование пищевых продуктов, поэтому улучшение качества пищи – наиболее естественный и доступный путь оптимизации питания населения Красноярского края.

Цель исследований . Провести анализ процесса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ из выжимок красной смородины; определить оптимальные технологические параметры.

Актуальность исследований . В условиях техногенной нагрузки на экологию человека специалисты уделяют внимание пектиносодержащим желейным продуктам, способным выводить из организма нерастворимые соединения вредных веществ. Перспективным направлением является использование компонентов из свежего и замороженного сырья красной смородины в производстве желейных продуктов с высокой пищевой ценностью. При этом необходимо решить научно-технологическую задачу, включающую переработку выжимок ягод красной смородины для использования в кондитерских изделиях с желейной структурой.

Результаты исследований и их обсуждение . Основной стадией в технологическом процессе производства пектина является гидролиз-экстрагирование. Водородные и гидроксильные ионы являются катализаторами гидролиза. Обладая каталитическим действием водородных ионов, пектиновые вещества претерпевают изменения. При этом большое значение имеет температура и рН среды [1, 2, 3]. Гидролизующие агенты применяются для обеспечения химических условий протекания процесса, при этом наиболее типовым гидролизующим агентом для извлечения пектина из ягодных выжимок является азотная кислота. Для сравнительного анализа была рассмотрена лимонная кислота. Для получения пектиновых экстрактов из ягодного сырья также применяют лимонную кислоту [4], что является достаточным для основания использования в качестве гидролизующего агента в разрешенной технологами производства.

Для сравнительного анализа влияния вида гидролизующего агента на выход и качество пектина из выжимок красной смородины автором проведены исследования по оптимальной концентрации и влиянию на качество и количество пектина.

Если в качестве гидролизующего агента взять азотную кислоту с такими технологическими параметрами, как температура 80 °С, концентрация кислоты 0,4 %, продолжительность 2,5 ч, то лучший показатель выхода пектина даёт сорт «Мармеладница» – 12,39 %, а если гидролизующим агентом будет лимонная кислота с теми же технологическими параметрами, то лучший показатель выхода пектина вновь у сорта «Мар-меладница» – 20,08 %, причём по сравнению с азотной кислотой выход пектина увеличился на 7,69 %. Результаты по выходу спиртоосаждаемых пектиновых веществ приведены в табл. 1

Выход пектиновых веществ из выжимок красной смородины

Таблица 1

Сорт	Выход пектиновых веществ, % к сухой массе
	Азотная кислота	Лимонная кислота
Ася	10,35	12,33
Вика	10,49	15,51
Мармеладница	12,39	20,08
Орловская звезда	9,87	17,72
Валентиновка	9,98	19,24

Следовательно, для изучаемых сортов красной смородины при действии лимонной кислоты наблюдался более высокий выход пектиновых веществ (в 1,19 раза – сорт «Ася», в 1,47 – «Вика», 1,62 – «Марме-ладница», 1,79 – «Орловская звезда», в 1,92 раза – сорт «Валентиновка»), чем при использовании азотной кислоты (рис. 1).

■ Азотная кислота

■ Лимонная кислота

Рис. 1. Выход спиртоосаждаемых пектиновых веществ из выжимок красной смородины

Результаты исследований позволяют делать выводы, что выбранные сорта красной смородины подходят в полной мере для данной технологии (лидируют сорта «Мармеладница» и «Валентиновка»). Таким образом, при использовании в качестве пектиносодержащего сырья выжимок лидирующих сортов красной смородины в качестве гидролизующего агента целесообразно применение лимонной кислоты.

Для определения оптимальной концентрации лимонной кислоты были проведены дополнительные исследования при концентрации 0,03; 0,05; 0,1; 0,15 %. Свыше концентрация недопустима и экономически нецелесообразна. Полученные опытные значения приведены в табл. 2.

Таблица 2

Сорт	Выход спиртоосаждаемых пектиновых веществ, % к массе сухих веществ
	0,03 %	0,05 %	0,10 %	0,15 %
Ася	13,78	11,03	12,33	11,82
Вика	18,13	13,78	15,51	13,24
Мармеладница	15,24	18,13	20,08	19,12
Орловская звезда	17,01	15,24	17,72	16,25
Валентиновка	0,05%	17,01	19,24	17,58

Выход пектина в зависимости от применяемой концентрации лимонной кислоты

Влияние концентрации лимонной кислоты на выход пектина из выжимок красной смородины показано на рис. 2.

^^^м0,03%

^^^м0,05%

0,10%

^^^^^м0,15%

Рис. 2. Выход пектина в зависимости от применяемой концентрации лимонной кислоты

При концентрации лимонной кислоты менее 0,1 % происходит снижение выхода спиртоосаждаемых пектиновых веществ. При концентрации 0,15 % выход пектиновых веществ также снижается, что объясняется частичной деструкцией пектиновой молекулы. Поэтому в качестве наилучшего гидролизующего агента рекомендована лимонная кислота с концентрацией 0,1 %, а в качестве сырья – выжимки ягод лидирующего сорта «Мармеладница»

Экстрагирование пектиновых веществ при различных технологических параметрах. Экстрагирование является основным процессом, определяющим эффективность извлечения пектиновых веществ из растительного сырья.

Температура, время экстрагирования, диффузионная проводимость сырья являются наиболее весомыми факторами, влияющими на данный процесс.

В процессе исследований были определены коэффициент диффузии пектиновых веществ D и коэффициент массоотдачи β . В качестве используемой была выбрана методика Л.В. Донченко. Для выявления зависимости коэффициента диффузии пектиновых веществ от температуры были проведены исследования с шагом 5°С (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициент диффузии пектиновых веществ из выжимок красной смородины (t=80°С)

Участок	Продолжительность процесса, мин	Коэффициент диффузии пектиновых веществ D, 10 -11, м2/с
		85°С	90°С	∆С
1	10	4,85	4,87	0,02
2	20	3,43	3,44	0,01
3	30	2,99	3,02	0,03
4	40	2,95	2,97	0,02
5	50	2,84	2,96	0,12
6	60	2,74	2,78	0,04
7	70	2,76	2,77	0,01
8	80	2,78	2,80	0,02
9	90	2,80	2,82	0,02
10	100	2,81	2,82	0,01

На начальной стадии процесса (10 мин) коэффициент диффузии максимальный, затем он колеблется около величины 2,93. Снижение коэффициента диффузии до 2,81 можно объяснить увеличением вязкости экстрагента. Для выявления зависимости коэффициента диффузии пектиновых веществ от температуры проведены исследования с шагом 5°С (табл. 3).

При температуре 85°С и экспозиции до 10 мин коэффициент диффузии максимальный – 4,85, затем он колеблется около величины 2,90. Снижение коэффициента диффузии до 2,81 на стадии от 20 до 100 мин также можно объяснить увеличением вязкости.

При температуре 90°С и экспозиции до 10 мин коэффициент диффузии максимальный – 4,87, затем он колеблется около величины 2,91. Происходит снижение коэффициента диффузии до 2,82, что свидетельствует о нецелесообразности дополнительных энергетических затрат на нагрев до 90°С.

Другой не менее важной характеристикой кинетики экстрагировании является коэффициент массоот-дачи, который также зависит от продолжительности реакции. Данные эксперимента по оценке влияния продолжительности экспозиции на значение коэффициента массоотдачи при 85°С представлены в табл. 4.

Оценка массоотдачи пектиновых веществ из выжимок красной смородины

Таблица 4

Участок	Продолжительность, мин	Коэффициент массоотдачи β 10-7, м/с
1	10	9,5627
2	20	0,7925
3	30	0,5102
4	40	0,4825
5	50	0,3925
6	60	0,3125
7	70	0,2725
8	80	0,2552
9	90	0,2011
10	100	0,1405

Уменьшение коэффициента массотдачи при увеличении продолжительности экстракции от 10 до 100 мин можно объяснить потерей упругости и ростом концентрации пектиновых веществ и, как следствие, увеличением вязкости экстракта. Снижение скорости циркуляции жидкости-экстрагента приводит к снижению коэффициента массоотдачи пектиновых веществ. В качестве результатного физического показателя для пастило-мармеладной группы изделий логично взять студнеобразующую способность, а в качестве фактор- ных показателей использовать время нагрева до температур 80, 85, 90°С. Экспериментальная оценка влияния температуры на студнеобразование выполнена для сорта «Мармеладница» (рис. 3).

■ Студнеобразующая способность SAG

Экспозиция, мин

Рис. 3. Зависимость студнеобразующей способности пектина от применяемой температуры (сорт «Мармеладница»)

На рис. 3 видно, что наибольшая студнеобразующая способность пектина достигается при температуре процесса 85°С, а далее при увеличении температуры студнеобразующая способность падает до 148°SAG, что отрицательно влияет на качество пектина. Оптимальность выбора температуры 85°С также соответствует опытам по оценке величины диффузии и массотдачи. Необходимая продолжительность технологического процесса эктрагирования определена для сорта «Мармеладница» при средней температуре 85°С, при этом время экспозиции менялось во временном интервале от 60 до 240 мин. Анализ динамики студнеобразования показывает, что максимум достигается при 120 мин (рис. 4).

Рис. 4. Влияние продолжительности экстрагирования на студнеобразующую способность пектина из выжимок красной смородины

Дальнейшее увеличение продолжительности экстракции свыше 120 мин отрицательно влияет на процесс студнеобразования. Таким образом, проведенные исследования по оценке технологической эффективности кинетики процесса экстрагирования посредством оценки технологических параметров (коэффициент диффузии, коэффициент массоотдачи пектиновых веществ, студнеобразующая способность пектина) показали, что оптимальными являются следующие условия экстракции: концентрация лимонной кислоты – 0,1 %; температура – 85 °С; экспозиция – 120 мин.

Заключение . Исследование влияния основных технологических параметров (температура, продолжительность экстракции, вид агента) на процесс экстрагирования пектиновых веществ из выжимок красной смородины с учетом физико-химического анализа ее сортов показало, что при оптимальных технологических параметрах (температуре 85°С и продолжительности экстракции 2 ч) с использованием в качестве гидролизующего агента лимонной кислоты с концентрацией 0,1 % выход пектина повышается в 1,62 раза по сравнению с азотной кислотой.