Сорбция со 2-экстрактов пряностей на томатной пасте

Сорбция    СО2-экстрактов    пряностейна томатной пасте

Sorption of CO2-extracts of spices to the tomato paste

Рeфepaт. Одним из важʜeйших пpeимущecтв тexʜoлогий, основанных на использовании СО2-экстракции являeтся возможность производства продуктов бeз кoʜcepʙaʜтов, наполнитeлeй, химичecких, ʜeжeлатeльных ароматичecкиx ʙeщecтв и других добавок. Большой тeopeтичecкий и практичecкий интepec пpeдставляeт изучeʜиe copбции СО2-экстрактов на томатных носитeлях при изготовлeʜии кeтчупов. Рассмотpeʜы принципы оптимизации процecca copбции СО2-экстрактов аниса, имбиря и амаранта на томатной пастe при изготовлeʜии кeтчупов. На томатную пасту наносится мисцeлла экстрактов пряностeй. Это достигaeтся отбором СО2-мисцeллы из экстрактора под давлeʜиeм до 6 МПа. Затeм из получeʜʜoго матepи-ала мгʜoʙeʜʜo yдаляeтся растворитeль за счeт снижeʜия давлeʜия в аппаратe до атмосфepʜoго. Опpeдeлeʜы стeпeʜи сорбции СО2-экстрактов аниса, имбиря, амаранта и облeпихи. Расчeты проводились по программe, составлeʜʜoй ʙ cpeдe матeма-тичecкого пакeта «MathCAD 14». B peзультатe пpoʙeдeʜʜых исслeдований получeʜы ypaʙʜeʜия peгpeccии для сорбции аниса, амаранта и имбиря на томатной пастe ʙ зависимости от концeʜтрации индивидуальных экстрактов в мисцeллe. Показаны возможности мeтода полного факторного экспepимeʜта. В использyeмом мeтодe матeматичecкого планирования экспepи-мeʜта примeʜяются бeзразмepʜыe кодированныe композиционныe факторы x1 и x2. Для пepexoда от концeʜтрации мисцeл-лы к соотʙeтствующим кодированным ʙeличинам примeʜялись слeдующиe формулы:

x i =

c i - c 01 _;

A c 1

x 2 =

c 2 - c 02 _;

A c 2 ’

x 3 =

c ₃ - c ₀₃ A c ₃

В экспepимeʜтe peaлизован план 2 ³ . Использовался цeʜтральный композиционный план, отʙeчающий тpeбованию ротатабeльности, т.e. план, позволяющий получать модeль, способную пpeдсказать значeʜиe парамeтра оптимизации с одинаковой точностью, ʜeзависимо от направлeʜия на равных расстояниях от цeʜтра плана. В таких условиях можно установить эмпиричecкиe ypaʙʜeʜия peгpeccии, включающиe лиʜeйныe и ʜeлиʜeйныe члeʜы.

Summary. The possibility of the production of products without the preservatives, the fillers, the chemical, undesirable aromatic substances and other additives is one of the prime advantages of technologies, based on the use of CO2- extraction. There is great theoretical and practical interest in the study of the absorption of CO2- extracts on the tomato carriers with the production of ketchup. There are examined the principles of the optimization of the process of absorbing the CO2- extracts of anise, ginger and amaranth on the tomato paste with the production of ketchup. There are examined the principles of the optimization of the process of absorbing the CO2- extracts of anise, ginger and amaranth on the tomato paste with the production of ketchup. The miscella of the extracts of spices is brought to the tomato paste. This was reached by the selection of CO2- miscella from the extractor under the pressure to 6 MPa. Then solvent due to a pressure decrease in the apparatus to the atmospheric instantly was moved away from the obtained material. The degrees of the absorption of the CO2- extracts of anise, ginger, amaranth and sea buckthorn are determined. Calculations were performed through the program of that composed in medium of the mathematical packet “Of mathCAD 14”. As a result conducted investigations are obtained the equations of regression for absorbing of anise, amaranth and ginger on the tomato paste depending on the concentration of individual extracts in the miscella. The possibilities of the method of complete factor experiment are shown. In the utilized method of the mathematical planning of experiment adapt the dimensionless coded composition factors x1 and x2. To the appropriate coded values the following formulas adapted for the passage from miscella concentration:

x i =

c l - c 01 .

A c 1

x 2 =

c 2 - c 02 ... _c 3 - c 03 ; x з =

A c ₂         A c ₃

Трудами ученых и специалистов Краснодарской научно-педагогической школы по обработке сельскохозяйственного сырья сжиженными и сжатыми газами установлено, что СО 2 -экстракты из пряно-ароматического сырья обладают повышенной сорбцией и десорбцией.

Специалисты Воронежского государственного университета инжен ерных технологий изучили условия сорбции эфиромасличной фракции СO 2 -экстрактов пряностей на животных белках с помощью инструментальных методов профильного анализа, кластерного метода и метода основного компонента [1]. В качеств е носителя аромата использовались животные белки Промил-С95, Промил-Г95 и Пробелкон 140. М.М. Данылив исследовал закономерности сорбции СО 2 -экстрактов аниса, тмина, кардамона, перца черного, белого и красного на белковом носителе [2].

На кафедре физической и аналитической химии Воронежского государственного уни -верситета инженерных технологий проводились исследования по особенностям сорбции паров альдегидов, кетонов, лактонов, органических кислот и углеводородов на пьезоэлектрических пленках [3, 4].

Установлено, что аромат пищевым продуктам придает множество индивидуальных химических соединений, которые сорбированы на белковых и липидных компонентах и создают индивидуальный образ продукта. Некоторые ароматические вещества образуются в ходе технологического процесса, а другие вносятся в продукт в виде пищевых добавок [5]. С помощью метода пьезокварцевого микровзвешивания изучено формирование легколетучей фракции аромата полупродуктов при добавлении пищевых ароматизаторов.

Наиболее изучен способ сорбции СО 2 -экстрактов пряностей на сухих носителях – сахаре, соли, крахмале. Независимо от метода получения СО 2 -экстрактов для обеспечения высоких сорбционных свойств носители должны иметь определенную пространственную структуру. Наличие структурных микродефектов, химических неоднородностей значительно ухудшает электронные и магнитные свойства носителей, поэтому попытка подбора таких материалов должна быть направлена на устранение указанных недостатков.

Большой теоретический и практический интерес представляет изучение сорбции СО 2 -экстрактов на томатных носителях при изготовлении кетчупов.

В настоящей работе рассматривается оптимизация процесса сорбции СО 2 -экстрактов на томатной пасте. В данном случае на томатную пасту наносилась мисцелла экстрактов пряностей. Это достигалось отбором СО 2 -мисцеллы из экстрактора под давлением до 6 МПа. Затем из полученного материала мгновенно удалялся растворитель за счет снижения давления в аппарате до атмосферного.

Целью работы являлось определения степени сорбции СО 2 -экстрактов аниса, имбиря, амаранта и облепихи. Расчеты проводились по программе составленной в среде математического пакета «MathCAD 14»

Для получения смеси аниса с имбирем с заданным соотношением в качестве основных факторов были выбраны концентрации аниса (c 1 ), концентрация имбиря (c 2 ) и концентрация амаранта (c 3 ). Параметром оптимизации или функцией отклика было значение сорбируемости. Значения базисных уровней:c 01 = 0,03 ;

c 02 = 0,08 ;c 03 = 0,07 ; интервал варьирования Δc 1 = 0,01; Δc 2 = 0,04 ;Δc 3 = 0,02 .

В используемом методе математического планирования эксперимента применяются безразмерные кодированные композиционные факторы x 1 и x 2 . Для перехода от концентрации мисцеллы к соответствующим кодированным величинам применялись следующие формулы:

x i =

^c1 - ^c 01 _;

A c 1

x 2 =

^c 2 - ^c 02 _;

A c ₂ ’

x 3 =

c ₃ - c ₀₃ A c ₃

В эксперименте реализован план 2 ³ . Использовался центральный композиционный план, отвечающий требованию ротатабельности, т.е. план, позволяющий получать модель, способную предсказать значение параметра оптимизации с одинаковой точностью, независимо от

направления, на равных расстояниях от центра плана. В таких условиях можно установить эмпирические уравнения регрессии, включающие линейные и нелинейные члены:

y = b ₀ + b 1 x 1 + b ₂ x ₂ + b ₃ x ₃ + b ₁₂ x 1 x ₂ + b ₁₃ x 1 x + ₃

^{+ b} 23 x 2 x 3 ^{+ b} 11 x i ^{+ b} 22 x 2 ^{+ b} 33 x 3

Условия опытов, матрица планирования и результаты о совместной сорбции аниса, имбиря и амаранта представлены в таблице 1.

Коэффициенты регрессии b i были вычислены с помощью уравнения (2). С применением критерия Стьюдента была проверена значимость этих коэффициентов с доверительной вероятностью 95%. Приведенные ниже сокращенные уравнения выражают зависимость параметров оптимизации от значений основных факторов:

y ( Y ) = 0,457 + 0,072 x - 0,03 x ₂ - 0,07 x ₃ +

• +    0,035 x 1 x ₂ + 0,027 x 1 x ₃ - 0,02 x ₂ ²;

y ( Ba ) = 0,205 + 0,004 x 1 + 0,079 x ₂ - 0,04 x ₃ + (3)

• +    0,091 x 1 x ₃ - 0,15 x ₂ x ₃ + 0,12 x 2 ;

y ( Cc ) = 1,178 - 0,24 x 1 + 0,22 x ₃;

Чтобы проверить адекватность этих уравнений, были проведены 6 дополнительных опытов в центре плана. С помощью критерия Фишера была проверена адекватность полученных уравнений. Установлено, что на 5% в процентном уровне значимости уравнения адекватно описывают экспериментальные данные.

Для получения совместной сорбции двух экстрактов на носителе необходимо, чтобы в результате сорбции аниса, имбиря и амаранта на гидролизате коллагена выполнялось мольное соотношение анис: имбирь: амарант = 1:2:3. Анализ уравненй делает очевидным, что для увеличения параметра оптимизации необходимо перемещение в факторное пространство от центра плана по направлению, которое соответствует одновременному увеличению всех основных факторов. После применения метода крутого восхождения были получены опти -мальные значения факторов для аниса, имбиря и амаранта x 1 = 0,2,x 2 = 1,825 ,x 3 = 0,3 .

На основании анализа уравнений можно заключить: зависимости сорбции аниса и имбиря от основных факторов имеют экстремальный характер, поскольку квадратичные эффекты (b 12 ,b 13 ,b 23 ) отличаются от нуля. Следовательно, поверхности отклика имеют так называемые «особые точки» (s), что указывает на существенное искривление поверхностей.

Отличие от нуля b 12 и b 13 для сорбции аниса и b 13 и b 23 для сорбции имбиря говорит о значительном взаимодействии основных факторов. Это указывает на то, что влияние концентрации аниса на его сорбцию существенно зависит от концентрации имбиря и амаранта, а влияние концентрации амаранта на сорбцию имбиря зависит от концентраций аниса и имбиря. Положительное значение этих факторов говорит о том, что их взаимодействие усиливает сорбцию аниса, а взаимодействие имбиря и амаранта приводит к снижению сорбции имбиря.

Таблица 1

Матрица планирования и результаты опытов по совместной сорбции аниса, имбиря и амаранта коллагеновым гидролизатом

Условия опытов	x 1	x 2	x 3	y 1	y 2	y 3
	Концентрация,			Г, моль Me n+ /г
	анис	имбирь	амарант	анис	имбирь	амарант
1	2	3	4	5	6	7
Основной уровень (x i = 0)	0,03	0,08	0,07
Интервал варьирования (Δx i )	0,01	0,04	0,02
Верхний уровень (x i =+1)	0,04	0,04	0,05
нижний уровень (x i = -1)	0,02	0,12	0,09
верхнее звездное плечо α=1,682	0,047	0,147	0,104
нижнее звездное плечо α=-1,682	0,013	0,013	0,036
№
1	+	+	+	0,467	0,2	1,175
2	-	+	+	0,2	0,275	1,625

Продолжение табл. 1

1	2	3	4	5	6	7
3	+	-	+	0,4	0,6	1,2
4	+	+	-	0,533	0,5	0,7
5	-	-	-	0,5	0,25	1,2
6	+	-	-	0,517	0,15	0,725
7	-	+	-	0,417	0,775	1,25
8	-	-	+	0,317	0,175	1,625
9	Α	0	0	0,617	0,325	0,8
10	-α	0	0	0,317	0,275	1,6
11	0	α	0	0,35	0,65	1,125
12	0	-α	0	0,517	0,425	1,2
13	0	0	α	0,4	0,3	1,55
14	0	0	-α	0,65	0,35	0,8
15	0	0	0	0,433	0,25	1,2
16	0	0	0	0,483	0,1	1,275
17	0	0	0	0,45	0,175	1,175
18	0	0	0	0,45	0,2	1,15
19	0	0	0	0,467	0,175	1,15
20	0	0	0	0,483	0,225	1,125

Таблица 2

Значения канонических коэффициентов, рассчитанных для сорбции аниса и имбиря

Сорбция иттрия	Ион, значения которого приняты постоянными	λ11	λ22	Сорбция имбиря	λ11	λ22
	x 1 =0,2 , анис	-0,02	0		-0,036	0,156
	x 2 = 1,825 имбирь	-0,0135	0,0135		-0,0455	0,0455
	x 3 = 0,3 амарант	-0,03	0,01		0	0,12

Для сорбции амаранта коэффициенты b 12 , b 13 ,b 23 равны нулю. Это говорит о том, что поверхность отклика не имеет центра, оптимум будет лежать на границе области определения факторов.

Анализируя коэффициенты b 1 , b 2 , b 3 , можно сказать, что сорбцию имбиря можно увеличить, увеличив концентрацию аниса и уменьшив конц ентрации имбиря и амаранта. Сорбцию имбиря можно увеличить, увеличив концентрации аниса и имбиря и уменьшив концентрацию амаранта. Сорбцию амаранта можно усилить, уменьшив концентрацию аниса и увеличив концентрацию амаранта.

Коэффициенты b 0 , равные средним значениям факторов сорбции экстрактов в центре плана, возрастают в ряду ама-рант˃анис˃имбирь, что согласуется с размерами гидратированных радиусов коллагена.

Уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие почти стационарную область, несут в себе обширную информацию о влиянии основных факторов на отклик. Однако для получения целостной картины зависимости сорбции от концентрации мисцеллы представляет интерес изучение свойств поверхностей откликов (рисунок 1).

б

в

б

Рисунок 1. Геометрический образ поверхности отклика y 1 = f(X 1 ,X 2 ), уравнением (4):

а) x 1 =0,2 , б) x 2 =1,825, в) x 3 =0,3

Сорбция аниса

а

Сорбция имбиря

а

При этом полезно перейти от полинома второго порядка, полученного по результатам опыта, к стандартному каноническому уравнению:

y - y s = Хц X 1 + Х 22 X ₂ ² , (4)

где y s - значение выхода в ц ентре поверхности; X 1 и X 2 - канонические переменные, являющиеся линейными функциями факторов x 1 и x 2 ; λ 11 и λ 22 - коэффициенты канонической формы.

Параметры λ 11 и λ 22 в уравнении (4) определяют вид поверхностей откликов, которые классифицируются по их каноническим формам.

Для исключения линейных членов (b 0 ) в уравнениях регрессии начала координат в факторном пространстве были перенесены в «особые точки», затем координатные оси повернуты таким образом, чтобы в уравнениях исключить члены двойного взаимодействия (b 12 , b 13 , b 23 ).

Так как в уравнения регрессии описываются при помощи трех факторов, приходится решать компромиссную задачу - определять экстремальные значения функции отклика при

ограничениях, принимая попеременно оптимальные значения факторов. Полученные значения представлены в таблице 2.

Для сорбции аниса при постоянной его концентрации и сорбции имбиря при постоянной концентрации амаранта коэффициент Л 11 =0. Это говорит том, что центр лежит далеко за областью экспериментирования. Повeрх-ности такого типа называются «возрастающим возвышением».

В остальных исследуемых системах коэффициенты λ11 и λ22 имеют разные знаки, это означает, что поверхность отклика - гипербо- лический параболоид. В центре поверхности – мини‐макс. Поскольку λ11˂λ22 , то влияние основных факторов на сорбцию характеризуется неаддитивностью действия.