Исследование процесса экстракции сухих веществ из хвои сосны. Часть 1. Исследование влияния степени измельчения хвои сосны и экспозиции на интенсивность экстракции

Исследование процесса экстракции сухих веществ из хвои сосны является первым этапом в создании нового молочного продукта с функциональными ингредиентами на основе вторичного молочного сырья.

Выбор хвои связан с тем, что ее целебные свойства известны еще с древности [5]. Хвоя имеет приятный вкус и аромат, обладает антиокислительными, антимикробными свойствами, содержит уникальный набор витаминов и минеральных веществ. Кроме того, не существует проблемы с ее заготовкой [1].

Наиболее приемлемым способом извлечения действующих веществ из листовой массы растений является экстракция растворимых компонентов с помощью жидкого растворителя (экстрагента). В качестве экстрагентов могут использоваться вода и различные органические растворители.

В наших исследованиях мы использовали воду, поскольку в дальнейшем экстракт будет использован на производство пищевых продуктов.

При экстракции сырье вначале измельчают, после чего смешивают с экстрагентом. Часть клеток в процессе измельчения повреждается. Экстрагент сначала вымывает из наружных (главным образом нарушенных) клеток рас- творимые и нерастворимые вещества, затем проникает сквозь нерастворимые клеточные оболочки внутрь клеток.

Внутри клетки и на ее поверхности под действием экстрагента протекает ряд физико-химических процессов: набухание, растворение, осмос, диффузия.

Так, сухое растительное сырье вначале набухает благодаря присутствию коллоидных веществ, растворимые вещества при этом переходят в экстрагент [4]. В результате внутри клетки образуется концентрированный раствор, имеющий большое осмотическое давление, способствующее интенсивному поступлению экстрагента внутрь. Параллельно, благодаря градиенту концентраций растворенные вещества клетки диффундируют в экстрагент, находящийся вне клеток. Движение протекает двумя путями: сквозь поры клетки и сквозь ее оболочку. Диффузия и осмос различных веществ протекают с различной скоростью. В первую очередь диффундируют вещества с более подвижными молекулами, т. е. имеющие меньшую молекулярную массу. Когда концентрация веществ, находящихся в растворе внутри клеток, становится равной их концентрации в растворе, находящемся вне клеток, то устанавливается подвижное равновесие [4].

На полноту и скорость экстракции влияет ряд факторов. Основными из них являются степень измельченности (размер частиц), температура и продолжительность процесса (экспозиция), соотношение между количеством сырья и экстрагента.

От размера частиц зависит внутреннее диффузионное сопротивление: с повышением степени измельчения сырья увеличивается молекулярная (внутренняя) диффузия, так как становится больше разорванных клеток. Вслед за этим увеличивается и наружная (конвективная), то есть диффузия от по- верхности частиц сырья в экстрагент. В результате повышается процесс массо-передачи. Однако гидродинамические условия течения экстрагента через слой частиц по мере уменьшения их размера значительно ухудшаются: мелкий порошок слеживается, образуются комки, оседающие на дно сосуда. Поэтому для каждого вида сырья и условий протекания процесса существует минимальный размер частиц, при котором суммарное внутреннее и внешнее диффузионное сопротивление является минимальным. Литературные данные по размеру частиц сырья весьма разноречивы. Так, установлено [4], что максимальное извлечение алкалоидов спорыньи и термопсиса хлороформом наблюдалось при измельчении сырья до частиц размером 0,33…0,66 мм. Оптимальная измельчен-ность при экстракции эфирного масла из травы чабреца оказалась равной 0,5…1 мм. Для получения жидкого экстракта крапивы рекомендован размер частиц 0,5 мм, 1 и 2 мм, а по [2,3] - 0,7…5,0 мм. При извлечении алкалоидов из травы красавки, листьев чая степень измельчения сырья практически не влияла на скорость экстракции. Сведений об оптимальном размере частиц хвои нами не обнаружено.

Сведения о продолжительности процесса экстракции также колеблются в широких пределах: от 15 [5] до 120 [2] мин.

Объектом исследования являлась высушенная до постоянной массы хвоя сосны.

Условия эксперимента выбрали на основе литературных данных: температура экстракции – 82±2оС [4], размер частиц – 0,1…3,0 мм и 4…7 мм [4]; отношение продукта к экстрагенту – 1:10 [3]; экспозиция – 100 мин [2].

Хвою вначале диспергировали на измельчителе тканей. Затем просеивали через сито с диаметром отверстий 3 мм (размер частиц 0,1…3,0 мм). Хвоя, не прошедшая через сито имела размер 4…7 мм.

В качестве экстрактора использовали колбу вместимостью 250 см3, закрытую фольгой, с пропущенным через нее термометром, в качестве экстрагента – дистиллированную воду.

Количество сухих веществ в экстракте определяли рефрактометрическим методом с использованием рефрактометра RL-3, имеющего две шкалы:

водяной бане с температурой 82±2 оС. Отбор проб осуществляли с помощью пипетки с ватным фильтром до тех пор, пока не переставало увеличиваться количество сухих веществ в экстракте.

Повторность опытов трехкратная.

Результаты исследований представлены в таблице 1.

Из таблицы следует, что в первом опыте наибольшую скорость экстракции – 0,192 усл.% СВ в мин – наблюдали

Таблица 1 – Динамика накопления сухих веществ (СВ) в экс- тракте в зависимости от размера частиц хвои, усл.%

Опыт Размер частиц хвои, мм Экспозиция, мин Сухие вещества, усл.% Интервал, мин Скорость экстракции, прирост СВ (усл.%) в мин 0 0 0 10 1,92±0,01 0…10 0,192 30 2,35±0,01 10…30 0,0215 1 0,1…3,0 40 2,47±0,01 30…40 0,009 50 2,51±0,01 40…50 0,004 60 2,56±0,01 50…60 0,005 70 2,59±0,01 60…70 0,003 0 0 0 10 1,75±0,01 0…10 0,175 30 2,11±0,01 10…30 0,018 2 4…7 40 2,25±0,01 30…40 0,014 50 2,35±0,01 40…50 0,01 60 2,45±0,01 50…60 0,01 70 2,45±0,01 60…70 0 шкалу показателей преломления и шкалу сухих веществ. Отсчет производили по обеим шкалам. В обсуждениях результатов использовали более наглядные показания шкалы сухих веществ, несмотря на то, что она не фиксировала истинное содержание сухих веществ в экстракте, а позволяла судить лишь о динамике процесса. Массовую долю сухих веществ в экстракте выражали в условных процентах (усл.%) Для определения истинного содержания сухих веществ в экстракте в дальнейшем будет введен коэффициент пересчета.

В колбу вносили 100 см3 дистиллированной воды и нагревали ее на водяной бане до температуры 82±2 оС. Затем в нее помещали 10,0±0,1 г измельченной хвои. Колбу при непрерывном перемешивании нагревали на в первые 10 мин процесса. Далее скорость снизилась сначала почти в 9 раз (интервал от 10 до 30 мин), затем в 21 раз (интервал от 30 до 40 мин). В последующем она оставалась практически постоянной – в среднем 0,004 усл.% СВ в мин, т. е. уменьшилась в 48 раз по сравнению с первоначальной. Очевидно, что продолжительность процесса экстракции не должна превышать 50 мин.

Через 70 мин процесса массовая доля сухих веществ в экстракте составила 2,59 усл.%. Смесь хорошо фильтровалась через двойной слой марли.

Во втором опыте отмечена та же тенденция в изменении скорости экстракции, но скорость была меньше, чем в первом опыте. Максимальную - 0,175 усл.% СВ в мин, наблюдали в первые 10 мин процесса, после чего она резко падала.

Ухудшение массопередачи в этом опыте связано с замедлением внутренней диффузии за счет меньшего количества разорванных клеток и, как следствие, с уменьшением конвективной диффузии. Процессу диффузии препятствовало и гистологическое строение хвои: плотная клеточная оболочка, недостаточно рыхлая клеточная ткань, небольшое количество межклеточных ходов и каналов. В результате наблюдали сильное набухание исследуемого материала.

Набухание привело к недостатку свободного экстрагента и невозможности получения фильтрата.

Через 70 мин процесса массовая доля сухих веществ в экстракте составила 2,45 усл.%, что также было ниже, чем в первом опыте.

Для дальнейших исследований выбрали размер частиц 0,1…0,3 мм и экспозицию 50 мин.