Кинетика извлечения экстрактивных веществ из люпина с различной геометрической формой

Экстрагирование - сложный массообменный процесс, издавна применяемый для извлечения ценных компон ентов из твёрдых пористых материалов с помощью растворителей. Сложность и скорость процесса в системе твёрдое тело-жидкость объясняется большим числом факторов, которые трудно поддаются обобщению и анализу. К числу таких факторов относятся, в частности, размер, форма частиц и вид слоя, который они образуют (подвижный, неподвижный, псевдоожиженный) [1].

Извлекаемый компонент может находиться в капиллярнопористом материале в жидком или твёрдом состоянии. Материал может быть инертным носителем целевого компонента либо взаимодействовать с ним, удерживать за счёт адсорбции, а также электрических или других сил. Растворитель может иметь различную избирательную способность по отношению к компонентам, содержащимся в твёрдой фазе. Наконец, структура капиллярнопористого материла (или упругой клеточной растительной ткани) оказывает различное сопротивление процессу извлечения. Кроме того, на механизм процесса экстрагирования оказывают влияние условия равновесия и кинетика. Если условия равновесия характеризуются достижением равенства концентрации извлекаемого компонента в растворе и концентрации насыщения, и зависят от физико-химических свойств растворителя и целевого компонента, а также от температуры и давления, то кинетика определяет закономерности скорости экстрагирования и, в итоге, производительность экстракционного оборудования.

Задача нашего исследования - предсказать темп снижения массосодержания твёрдой фазы и установить функциональную связь концентрации экстракта со временем.

Среди известных источников растительного белка традиционным продуктом считаются соя, а также белковые препараты на её основе. Они нашли широкое применение для получения различных пищевых продуктов. Однако некоторые химические компоненты сои являются ингибиторами ряда пищеварительных ферментов, таких как пепсин и химотрипсин. Углеводная фракция сои богата олигосахаридами, вызывающими кишечный метеоризм. Поэтому актуален вопрос о замене сои перспективной зернобобовой культурой - люпином, лишён-ной недостатков, присущих сое. Люпин - единственная альтернативная культура сое.

Объектом исследования являлся люпин - сырьё растительного происхождения, прошедший термообработку, в результате которой обеспечивается переход балластных некрахма листых полисахаридов в полезные высокопитательные вещества. Значительное содержание в люпине, в частности, белка (его массовая доля составляет 34,1...43,1 %), который по питательной ценности практически равнозначен соевому и значительно ниже по цене, открывает широкие возможности для использования люпина в различных отраслях пищевой промышленности, а также для кормовых целей.

Белок - это основа формирования жизни, биологического разума, просвещения и инноваций.

Привлекательность люпина для России обусловлена тем, что его можно выращивать без ограничений по почвенным и климатическим условиям.

Превалирующими фракциями углеводного комплекса являются сахароза, стахиоза, водорастворимые полисахариды, пектиновые вещества, целлюлоза и крахмал. Современные сорта люпина характеризуются минимальным содержанием алколоидов, что позволяет применять эти сорта в пищевой промышлен-ности. Семена люпина имеют богатый состав витаминов, содержат 11 минеральных веществ, полный набор аминокислот, включая все независимые. Так, значительная доля глютаминовой и аспарагиновой кислот позволяет улучшить качество молочных продуктов, поскольку именно эти аминокислоты - известные вкусообразователи.

В качестве экстрагента использовалась подсырная сыворотка, имеющая в своём составе до 6 % СВ (таблица 1).

Таблица 1

Состав и физико-химические свойства подсырной сыворотки (в обобщённом виде)

Наименование показателя	Натуральная подсырная сыворотка
Массовая доля сухих веществ, %, в том числе	5,6...6,0
Массовая доля лактозы, %	3,9
Массовая доля жира, %	0,2
Массовая доля белковых веществ, %	0,8
Массовая доля минеральных веществ, %	0,7
Титруемая кислотность, оТ	15

Перед экстрагированием люпину придавалась форма шара, цилиндра и пластины. Средний размер частиц крупки (шара) определялся ситовым способом [5], а также рассчитывался по формуле:

-101, ^dcp      _{∆ i}

∑ _di

где dcp - средний размер крупки, мм; Ai - ко личество фракций, %; di - размер частицы, мм.

Средние размеры частиц в форме цилин дра и пластины находились измерением с помощью микрометра и рассчитывались по формуле (1) для цилиндра (где dср - средний диаметр цилиндра) и по формуле (2) для пластины:

⁵ с ^р _yA i ’

δi

где 5_ср - средняя толщина пластины, мм; 51 - размер частицы, мм.

Средние размеры тел: шар d_ср = 1 мм; цилиндр d_ср = 1 мм; пластина 5_ср = 1 мм.

Частицы с одинаковой геометрической формой и сыворотка загружались в экстрактор и содержимое перемешивалось. Массовая доля белков в люпине и подсырной сыворотке составляла соответственно 35,4 и 5,6 % СВ.

Через заданные промежутки времени отбирались пробы экстракта на анализ. Температура в экстракторе составляла 50 ° С.

Текущая концентрация экстрактивных веществ в твёрдой фазе (г/г, с последующим пересчётом в % сухого вещества) находилась, используя уравнение м а териального баланса

M m • ( C 0 - C ) = M ж • С„ (3) где M m , M ж - масса сухого сырья и экстрагента, г; C ₀ - начальная концентрация экстрактивных веществ в твёрдой фазе, г/г; C - текущая концентрация экстрактивных веществ в твёрдой фазе, г/г; С 1 - текущая концентрация экстрактивных веществ в жидкой фазе, г/г.

Результаты экспериментов представ- лены рисунками 1-3 и таблицей 2 (при t = 50 0C).

Рисунок 1. Зависимость извлечения экстрактивных веществ из люпина от времени (экстрагент - подсырная сыворотка 5,6 % СВ): 1 - крупка;

2 - цилиндр; 3 - пластина

т, мин

Рисунок 2. Зависимость извлечения экстрактивных веществ из люпина от времени: 1 - крупка;

2 - цилиндр; 3 - пластина

т, мин

Рисунок 3. Зависимость концентрации экстрактивных веществ в люпине от времени (истощающее экстрагирование): 1 - крупка; 2 - цилиндр; 3 - пластина.

Как видно из рисунков 1 и 2 и таблицы 2, интенсивное извлечение экстрактивных веществ из сырья протекало в течение 900 с из открытых пор и капилляров, образовавшихся, по нашему мнению, дополнительно после механической обработки люпина для придания последнему заданной геометрической формы. Далее процесс протекал медленнее и по истечении 1800 с практически наступало равновесное состояние. Таким образом, после указанного времени дальнейшее экстрагирование было технологически нецелесообразным.

Т а б л и ц а 2

Максимальный выход экстрактивных веществ в зависимости от формы материала (экстрагент - подсырная сыворотка 5,6 % СВ)

№ п/п	Вид сырья	Время экстрагирования, мин	Выход экстрактивных веществ СВ, %
1	Крупка	45	15,0
2	Цилиндр	45	23,5
3	Пластина	45	25,0

Результаты истощающего экстрагирования (рисунок 3) в совокупном рассмотрении с рисунками 1 и 2, а также таблицей 3 дают основание отдать предпочтение геометрической форме сырья в виде пластины.

Степень истощения твёрдой фазы E , pac-считанная по формуле:

E = CC 0 ,             (4)

приведена для всех форм частиц в таблице 3.

Т а б л и ц а 3

Степень истощения твердой фазы

Форма тела	Время, мин
	5	10	15	30	45	60
шар	85,8%	71,7%	60,4%	23,7%	7,1%	5,6%
цилиндр	80,7%	60,4%	49,1%	9,6%	5,6%	5,6%
пластина	75,1%	49,1%	23,7%	1,4%	1,4%	1,4%

В то же время другие геометрические формы не отрицаются, поскольку форма крупки, например, более технологична в изготовлении.

Полученный молочно-растительный экстракт вследствие своего богатого химического состава может быть использован в технологии функциональных продуктов питания.

Продолжением данной работы является определение коэффициентов молекулярной диффузии, построение математических моделей с использованием полученных экстракционных зависимостей, а также программное обеспечение процесса. Этот материал, при его совокупном