Изучение влияния активного перемешивания экстрагента на выход пектина при ферментативной экстракции из выжимок столовой свеклы

Пектин признан ВОЗ продуктом, рекомендованным в качестве корректора состояния здоровья человека. В соответствии с ст. 321 ТК РК работникам, контактирующим с неорганическими соединениями свинца, необходимо дополнительно к молоку выдавать 14–16 граммов пектина, в виде обогащенных им консервированных растительных пищевых продуктов, фруктовых соков, напитков. В России, Казахстане, республиках Средней Азии собственного пектинового производства не имеется. Следует отметить, что его ежегодная закупка в Казахстане в 20 раз меньше потребности [1, 2].

При переработке плодов и овощей пектин, содержащийся в них, полностью остается в выжимках – вторичном сырье, которое представляет ценность для получения конкурентоспособных пектинопродуктов (пектинового экстракта, пектинового концентрата, сухого пектинового порошка) [3–6]. Однако переработкой данного вторичного сырья в РК практически не занимаются, сырье в лучшем случае уходит на корм скоту, либо утилизируется.

Несмотря на то, что такой ценный продукт – пектин, содержится в большом количестве во вторичном растительном сырье (выжимках плодов и овощей) применение традиционных технологий получения пектина не рентабельно и предполагает использование веществ, создающих агрессивную рабочую среду. Данный факт препятствует внедрению технологий переработки вторичного растительного сырья с целью получения пектина (или экстракта пектина) на действующем пищевом предприятии. Однако существуют альтернативные способы получения пектина из растительного сырья – биотехнологические способы, с применением ферментативных препаратов, которые дешевле в применении и абсолютно безвредны для здоровья человека, в связи с этим внедрение подобных альтернативных технологий получения пектина на действующем пищевом предприятии становится возможным [7–11].

Один из таких биотехнологических способов получения пектина (экстракта пектина) разработан и запатентован в РК – патент № 29264. Однако на сегодняшний день для успешного внедрения вышеотмеченной отечественной технологии стоит вопрос механизации данной технологии. Для полноценной возможности ее внедрения необходима разработка соответствующего и не дорогого оборудования, которое бы позволило интенсифицировать процесс ферментативной экстракции и использовать его на малых и средних предприятиях по переработке плодов и овощей, которых в РК насчитывается более 180.

Разработка оборудования для экстракции компонентов из растительного сырья должна осуществляться с учетом способности интенсификации извлечения необходимых компонентов. В нашем случае среди всех процессов были выделены процессы механического перемешивания экстрагента и последующее исследование изменения параметров на количество выделенного компонента.

В проведении экстракции эффективность процесса может быть достигнута за счет ускорения течения сорбционных процессов, которые ускоряют вымывание растворимых веществ из исходного растительного сырья [12, 13]. В представленной работе была использована быстроходная лопастная мешалка пропеллерного типа.

Данное оборудование, как правило, применяют для маловязких жидкостей, что дает возможность получить равномерно взмученную жидкость и избежать выпадение осадка. Маловязкие системы (эмульсии, суспензии) содержат до 10 % твердой фазы с частицами до 0,15 мм. Для систем с более высокой вяз- костью (более 0,6 Па∙с) пропеллерные мешалки непригодны, так как не могут обеспечить необходимой однородности системы в связи с присутствием твердой фазы высокой плотности [14,15].

Применение такого типа перемешивающих аппаратов за счет дополнения конструкции коробками передач находит все большее применение. Положительным фактором является то, что за счет возможности изменения конструктивных деталей возможна их адаптация к производственным условиях [15, 16].

Как правило, пропеллерные мешалки позволяют интенсифицировать перемешивание маловязких жидкостей, взмучивая осадок с параметрами – до 10 % твердой фазы с размером частиц до 0,15 мм и получать суспензии и эмульсии высокой дисперсности.

Применение такого оборудования обеспечивает высокую интенсивность перемешивания, при умеренном расходе электроэнергии, независимо от числа оборотов [16–18].

Цель работы – обеспечение высокого выхода пектина из растительного сырья при использовании ферментативной экстракции за счет использования активного перемешивания экстрагента.

Объекты и методы исследования

Для проведения эксперимента были использованы классические методики, изложенные в доступной технической литературе в области дисциплин «ПАПП» и «ПАХТ».

Методология конструкторского проектирования выстраивалась на основе теории планирования эксперимента, с учетом норм и правил проектирования пищевой и химической аппаратуры. Полученные данные обрабатывались с применением общепринятых методов математической статистики.

Для проектирования аппаратного сопровождения процессов, получения графического материала использовались общеизвестные программные продукты на ПЭВМ.

Объектом исследований для апробации разработанного оборудования являлись выжимки столовой свеклы.

В ходе эксперимента оценивались технологический процесс и оборудование для переработки столовой свеклы.

Предмет исследований : закономерность получения пектинсодержащего экстракта из столовой свеклы.

В качестве инструмента для получения пектинсодержащего экстракта была разрабо- тана экспериментальная модель экстрактора открытого типа. Схема аппарата для экстракции пектина представлена на рис. 1.

Конструктивные элементы экстрактора:

• -    ультразвуковой экстрактор;

• -    нагревательный элемент;

• -    быстроходная, пропеллерного типа, мешалка.

Технология экстрагирования прописана в ранних работах и включает: предварительную подготовку сырья (сито 7); загрузку в сетки и погружение в жидкую фазу (экстрагент); процесс ультразвуковой обработки (УЗ излучатель 3) при постоянном вымешивании (быстроходная мешалка 2) и нагревании (нагреватель 2). После окончания экстракции жидкую фазу можно слить с крана 8, а растительное сырье отжать и отделить на сите 7. Весь процесс управляется при помощи компьютерного пульта (элемент 4).

Разработанная экспериментальная модель позволяет увеличить эффективность извлечения пектина за счет активной мацерации клеток растительного сырья. Разрушенные клетки становятся доступными для активного вымывания растворимых компонентов. При этом в качестве стимуляторов процесса экстракции выступают ультразвук, нагревание и механическое воздействие.

При расчете геометрических характеристик экстрактора за основу взято: раститель- ное сырье относительно ультразвуковых излучателей располагается в ближней зоне ультразвуковых волн, поскольку в дальней зоне звукового поля давление звука уменьшается, что снижает эффективность воздействия. Объем экстрактора рассчитывается в зависимости от массы загружаемого сырья, на 1 кг сырья с учетом технологического запаса – 15 л воды.

По нормативам и правилам проектирования пищевой и химической аппаратуры в зависимости от технологических условий процесса для расчета диаметра лопастей мешалки принимают в среднем соотношение указанного в формуле:

D/d = (1,5, … 2, …, 3), (1) где D – внутренний диаметр корпуса аппарата, м; d – диаметр лопастей мешалки, м.

Для расчёта рабочей мощности перемешивания применяется критериальное уравнение Эйлера.

Метод экстрагирования осуществляется при следующих параметрах:

• –    соотношение сырье: экстрагент из расчета 1:13 – на 100 грамм высушенных выжимок столовой свеклы 1300 мл воды;

• –    температурный режим: для набухания растительного сырья – 56 °C в течение 15–18 часов, для ферментативной экстракции – 37 °C в течение 4 часов при рН = 7,2 ± 0,1.

Количество полиферментного комплекса

Рис. 1. Схема экстрактора растительного сырья: 1 – экстрактор для растительного сырья содержит термостойкий корпус; 2 – нагревательный элемент; 3 – ультразвуковой излучатель; 4 – компьютер управления; 5 – быстроходную мешалку; 6 – датчик температуры; 7 – металлическое сито для загрузки и разгрузки растительного сырья;

8 – кран для слива экстракта

в пересчете на пектинолитический фермент пектиназу – 20 000 ед. активности составляло 10 % от массы сырья. В нашем случае использовали полиферментативный комплекс компании «BioJSC», производство Бельгия. Активность компонентных ферментов (ед./г): пектиназы – 2000 ед. активности, целлюлазы – 350 ед. активности, т. е. 10 % от массы взятого сухого растительного сырья.

Растительным объектом для экстракции пектина был выбран районированный сорт столовой свеклы – «Бордо» (на стадии технической пригодности). Предварительно из корнеплодов извлекали сок, а выжимки использовали для экстракции пектина.

Содержание пектина определялось титриметрическим методом согласно методике ГОСТ 29059-91 «Продукты переработки плодов и овощей. Титриметрический метод определения пектиновых веществ».

• 1.    50 мл раствора 0,4 % едкого натра (для омыления) добавляется к 30–50 мл образца (отстаивание в течение 12 часов).

• 2.    Добавляется 50 мл 1 нормальной уксусной кислоты и 50 мл 11,1 %-ного раствора хлористого кальция для осаждения пектина.

• 3.    Фильтрация осадка через заранее высушенный до постоянного веса фильтр.

• 4.    Осадок промывается 0,5 % раствором хлористого кальция, далее обильно промывается холодной дистиллированной водой для освобождения от хлористого кальция (проверка по реакции на хлор с азотнокислым серебром).

• 5.    Промывка горячей водой для удаления солей.

• 6.    Фильтры с осадками пектата кальция высушиваем до постоянного веса при 105 °C.

• 7.    Перерасчет проводится по следующей

формуле:

P = (a–b) ∙ 0.9235 ∙ 100% / n, (2) где P – пектиновые вещества, %; a – вес фильтра с осадком, г; b – вес фильтра высушенного до постоянного веса, г; 0,9235– коэффициент перевода пектата кальция в пектиновую кислоту; n – масса навески, г.

Предельная частота вращения лопастной мешалки составила – 16,6 с–1 при дальнейшем увеличении скорости наблюдалось чрезмерное пенообразование при экстрагировании пектина из выжимок столовой свеклы водой.

Для определения рациональной продолжительности экстракции отбирались пробы каждый час в течение 5 часов, поскольку по запатентованному способу максимальное время экстракции составило – 5 часов и основной целью было сократить время экстракции и увеличить выход пектина из растительного сырья.

Результаты и их обсуждение

Для активного перемешивания экстрагента использовалась лопастная мешалка пропеллерного типа с тремя лопастями, в серии опытов частоту вращения выбранной мешалки меняли от 10 до 16,6 с–1.

В таблице приведены результаты определения наиболее эффективной частоты вращения выбранной мешалки для проведения ферментативной экстракции пектина из выделенного диапазона числа оборотов.

В ходе исследования было установлено, что использование лопастной мешалки ускоряет процесс экстракции, так, общая длительность процесса составила 5 часов, при этом максимальная концентрация пектина по окончанию процесса в растворе составила 0,56 %.

На рис. 2 приведены результаты влияния частоты вращения мешалки на выход пектина

Результаты определения оптимальной частоты вращения выбранной мешалки для проведения ферментативной экстракции пектина на экстракторе

Число оборотов –1 мешалки, с	Содержание пектина в 100 г сухих выжимок столовой свеклы, г	Время экспозиции, ч
		1	2	3	4	5
		Выход пектина из сухих выжимок столовой свеклы в раствор экстрагента, %
Контроль	6,89	22,1	37,2	48,5	59,5	61,4
10		31,3	42,8	54,5	65	64,6
13,3		38,3	47,5	61,5	65,1	63,9
16,6		42,9	50,2	65,0	63,9	62,8
М + m		0,2	0,2	0,2	0,2	0,2

Рис. 2. Влияние частоты вращения мешалки на выход пектина из столовой свеклы при различных значениях числа оборотов n.

Как видно из результатов исследований, приведенных в таблице и на графиках (см. рис. 2), при частоте вращения мешалки n = 16,6 с^-1 выход пектина дошел до уровня контрольного образца за 3 часа, тогда как в контрольном испытании (без использования активного перемешивания) данный показатель достигался в течение 5 часов ферментации.

Исходя из вышесказанного, активное перемешивание экстрагента при ферментативной экстракции пектина увеличивает скорость его выхода. Проделанный эксперимент наглядно указывает на эффективность разработанного экстрактора растительного сырья, оснащенного лопастной мешалкой пропеллерного типа.

Заключение

Проделанные эксперименты наглядно указывают на то, что использование в конструкции экстрактора растительного сырья вихревой мешалки значительно сократит время экстракции, по результатам видно, что время экстракции сократилось на 2 часа относительно контрольного эксперимента.