Изучение процесса плавления живицы в электромагнитном поле сверхвысоких частот

Живица является продуктом жизнедеятельности деревьев, преимущественно хвойных (сосна, ель, кедр, лиственница, пихта), и представляет собой бесцветное вязкое смолистое вещество с характерным хвойным запахом. В состав живицы входят 40-65% дитерпеновых (смоляных кислот), 20-35% монотерпеновых углеводородов (летучая часть живицы), 5-20% се-скви- и дитерпеновых углеводородов и их производных (нейтральных веществ). Качественный состав для живицы хвойных деревьев, произрастающих в России, в основном одинаков, количественный состав различен и зависит от породы и вида дерева, ареала его распространения и т.п.

В настоящее время живицу добывают регулярным нанесением надрезов на ствол дерева в период вегетации (подсочка) и сбором ее в специальные приемники. При добыче живица на воздухе быстро загустевает, изменяет цвет до светло- или темно-коричневого, обводняется, засоряется. Товарную живицу характеризуют по содержанию летучих терпенов (10-20% по массе), воды (2-10%) и механических примесей (1-5%). Традиционная переработка живицы заключается в удалении воды, очистке от сора, отгонке с паром летучих монотерпеновых углеводородов (при этом получают скипидар) с одновременным сплавлением твердых, смоляных кислот (получают канифоль). Живица лиственницы, кедра, ели, пихты - сырье для производства а- и в-пиненов, бальзамов (в том числе лечебного), иммерсионного масла, так называемой нейтральной лиственничной смолы, клея-пасты для проклейки бумаги, репеллентов и т.д.

В последнее время в Байкальском регионе, где произрастает значительное количество деревьев хвойных пород, из живицы производят жевательную смолку, выступающую в качестве альтернативы «химическим» импортным жевательным резинкам. Жевательная смолка, изготовленная на основе живицы, благодаря уникальному составу последней обладает антибактериальным, антисептическим, обезболивающим, противовоспалительным, сосудоукрепляющим, противовирусным и иммуномодулирующим свойствами, и пользуется популярностью среди местного населения, а также представляет интерес для туристов.

Технология изготовления жевательной смолки заключается в естественном вытапливании собранной смолы в водно-паровой бане под воздействием высокой температуры (100120 ° С) до состояния плавления застывшей смолы, при котором она отделяется от основной фракции перерабатываемого вещества и охлаждается в воде. При таком способе теряется значительное количество летучих веществ, что отрицательно сказывается на сохранности нативных свойств исходного сырья. Также данная технология отличается громоздкостью оборудования, является энергозатратной и продолжительной [1].

В настоящее время для интенсификации пищевых процессов активно применяется электромагнитное поле сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ), позволяющее проводить тепловые процессы за короткий промежуток времени, сохраняя при этом нативные свойства сырья и значительно сокращая энергозатраты [2].

В связи с вышесказанным возможное применение СВЧ-энергоподвода в технологическом процессе производства жевательной смолки является перспективным.

Цель исследования — изучение процесса плавления кедровой живицы в электромагнитном поле сверхвысоких частот.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

• -    определить оптимальные параметры плавления кедровой живицы в ЭМП СВЧ: температуру плавления, удельную СВЧ-мощность, продолжительность процесса;

• -    исследовать органолептические характеристики полученной при плавлении в ЭМП СВЧ кедровой живицы;

• -    определить химический состав кедровой живицы после обработки в ЭМП СВЧ.

Материалы и методы исследований

Материалом исследований в эксперименте служила кедровая живица, собранная во втором квартале 2014 г. в Байкальском регионе.

Определение оптимальных параметров плавления кедровой живицы в ЭМП СВЧ проводилось методом планирования экспериментов по Протодьяконову.

Исследование органолептических характеристик полученной при плавлении в ЭМП СВЧ кедровой живицы проводилось методом сенсорного анализа.

Определение химического состава по содержанию смолистых веществ и монотерпенов кедровой живицы после обработки в ЭМП СВЧ проводилось методом ВЭЖХ.

Результаты исследования и их обсуждение

Оптимальные технологические параметры плавления (температура, мощность СВЧ-энергоподвода, продолжительность) были установлены опытным путем. Полученные данные технологических параметров представлены в таблице 1.

Таблица 1 Технологические параметры плавления живицы

Параметры	№ опыта
	1	2	3	4	5	6	7
Температура, ° С	60	65	70	75	80	85	90
Удельная     СВЧ-мощность, Вт/кг	300	400	500	600	700	800	900
Продолжительность   плавле ния, мин	11	9	7	6	5	4	3

Результаты исследований показали, что при СВЧ-мощности менее 500 Вт/кг (300400 Вт/кг) живица плавится при температуре 60-65 ° С в течение 9-11 мин. Однако указанного предела температуры недостаточно для полного расплавления живицы (живица приобретает достаточно густую консистенцию, что затрудняет ее фильтрование). Увеличение СВЧ-мощности более 700 Вт/кг ведет к закономерному увеличению температуры (более 80 ° С), что значительно сокращает время плавления, однако отрицательно сказывается на качестве живицы – резко увеличивается испарение летучих смоляных кислот. Таким образом, оптимальные параметры плавления живицы составили: СВЧ мощность 500-700 Вт/кг, температура плавления 70-80 ° С, продолжительность процесса 5-7 мин. Именно при указанных параметрах достигается полное расплавление живицы – она становится жидкой, что позволяет ей легко отделиться от непищевых включений, а кратковременное (5-7 мин) воздействие температуры 7080 ° С позволяет максимально сохранить нативные свойства исходного сырья, уменьшить энергозатраты на процесс плавления.

Для установления влияния СВЧ-энергоподвода на качественные характеристики полученной живицы были исследованы ее органолептические показатели и химический состав.

Органолептические характеристики представлены в таблице 2.

Полученные результаты исследования органолептических характеристик кедровой живицы свидетельствуют о том, что использование СВЧ-энергоподвода позволяет получить продукт с характеристиками, близкими к органолептическим показателям сырья, т.е. натуральными вкусом и запахом, свойственными сырой кедровой живице.

Таблица 2 Органолептические характеристики кедровой живицы

Наименование показателя	Наименование продукции, характеристика/значение
Внешний вид	застывшая масса неправильной формы
Механические примеси	отсутствуют
Аромат	приятный, смолянисто-кедровый, без постороннего запаха
Вкус	при разжевывании – характерный смоляной, со слабой горчинкой
Цвет	золотисто-коричневый, от светлых до темных оттенков

При изучении химического состава живицы, нами были исследованы содержание смоляных кислот и монотерпенов в сырой кедровой живице и кедровой живице после плавления (кедровой смолке) в поле СВЧ. Результаты исследований представлены в таблице 3.

Таблица 3

Химический состав кедровой живицы

Наименование физиологически функционального ингредиента	Наименование жевательной композиции
	сырая кедровая живица	живица кедровая после плавления в поле СВЧ (кедровая смолка)
Смоляные кислоты, %
Дегидроабиетиновая	2,4	2,38
Неоабиетиновая	6,8	6,75
Абиетиновая	5,4	5,2
Пимаровая	6,7	6,54
Изопимаровая	3,7	3,5
Левопимаровая	27,5	26,3
Палюстровая	12,1	11,9
Монотерпены, %
Камфен	0,2	0,185
Мирцен	0,5	0,44
Лимонен	0,8	0,79
α-пинен	21,1	20,06
β-пинен	0,6	0,55

Результаты исследований химического состава кедровой живицы показали, что при плавлении сырой кедровой живицы в ЭМП СВЧ с целью получения кедровой смолки содержание смоляных кислот снижается незначительно: от 0,25 до 1,2%, а содержание монотерпенов - летучих веществ, значительное количество которых теряется при традиционном способе получения кедровой смолки, при данном способе обработки снижается на 0,5-6,3%, что свидетельствует о хорошей сохранности нативных свойств исходного сырья и положительном влиянии СВЧ-энергоподвода на качественные характеристики полученной кедровой смолки.

Выводы

В результате проведенных исследований были получены следующие результаты:

• -    определены оптимальные параметры плавления кедровой живицы в ЭМП СВЧ (температура 70-80°С, СВЧ мощность 500-700 Вт, время 5-7 мин);

• -    исследованы органолептические характеристики полученной при плавлении в ЭМП СВЧ кедровой живицы, которые показали, что продукт отличается высокими органолептическими показателями – натуральными вкусом и запахом, свойственными виду используемой сырой живицы;

• -    исследован химический состав кедровой живицы после плавления в ЭМП СВЧ, который характеризуется высоким содержанием смоляных кислот и монотерпенов, что свидетельствует о положительном влиянии ЭМП СВЧ на качественные характеристики кедровой жевательной смолки.

Заключение

В результате проведенных исследований были определены оптимальные параметры плавления кедровой живицы в ЭМП СВЧ: температура, СВЧ-мощность и время, которые позволили получить продукт с высокими органолептическми показателями и химическим составом, близким к составу сырой живицы.

На основе полученных данных была разработана технология плавления кедровой живицы в ЭМП СВЧ для получения кедровой смолки, прошедшая производственную апробацию в ООО «МИП «БайкалЭкоПродукт» при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления. На разработанную технологию получен патент на изобретение «Способ производства жевательной композиции на основе живицы» [3].