Выявление влияния импульсного электрического поля на эффективность процесса обезжиривания жидкого лецитина

Введение. Известно, что в результате обезжиривания жидкого растительного лецитина получают пищевую добавку с высоким содержанием фосфолипидов (ФЛ) (не менее 95 %) – обезжиренный лецитин [1]. Следует отметить, что качество получаемого обезжиренного лецитина зависит от полноты экстракции органическим растворителем нейтральных липидов (НЛ) из жидкого лецитина в процессе его обезжиривания. Для проведения наиболее полной экстракции НЛ из жидкого лецитина необходим значительный расход органического раствори- теля, как правило, ацетона [2]. В связи с этим является актуальным поиск эффективных методов интенсификации процесса обезжиривания жидкого лецитина, позволяющих обеспечить наиболее полную экстракцию НЛ при низком расходе растворителя, а, следовательно, получить обезжиренный лецитин с высоким содержанием ФЛ.

В этом аспекте представляют интерес физические методы интенсификации, а именно метод ультразвукового (УЗ) воздействия и метод воздействия импульсного электрического поля

(ИЭП) на систему «жидкий лецитин – ацетон» в процессе экстракции. Следует отметить, что метод УЗ воздействия достаточно широко используется для интенсификации твердожидкостной экстракции целевых компонентов из растительного сырья с помощью различных растворителей, включая воду [3–5].

В статье [6] нами показана эффективность применения метода УЗ воздействия для интенсификации процесса обезжиривания жидкого соевого лецитина, позволившая значительно (на 3,3 %) повысить в получаемом продукте содержание ФЛ, а также снизить расход растворителя по сравнению с контролем.

Основным преимуществом метода воздействия ИЭП в процессе экстракции, по сравнению с другими физическими методами, в т. ч. и УЗ воздействия, является его нетермический характер [7, 8].

Следует отметить, что эффективность метода воздействия ИЭП в основном была показана для интенсификации процессов массопереноса в растительном сырье, имеющем волокнистую или твердую структуру. В результате нетермической электропорации клеточных мембран растительного сырья происходит повышение их проницаемости, что обеспечивает повышение скорости диффузии растворителя внутрь клеток [9, 10].

Однако в последнее время были проведены исследования по влиянию обработки сложных многокомпонентных пищевых систем ИЭП на эффективность протекания некоторых химических реакций, а именно реакций хелатообразования, этерификации спиртов, Майера и других без повышения температуры реакционной системы и ввода катализатора [11–13]. Кроме того, имеются сведения, что в результате обработки растворов органических кислот ИЭП возможен разрыв межмолекулярных водородных связей, что приводит к высвобождению индивидуальных молекул из их ассоциатов [11].

Учитывая, что в жидком лецитине НЛ, состоящие из триацилглицеринов (ТАГ) и свободных жирных кислот, находятся не только в виде индивидуальных молекул, но и в виде ассоциатов различных порядков, в т. ч. и с молекулами ФЛ [14], которые затрудняют процесс диффузии растворителя, а, следовательно, снижают скорость массообмена в системе «жидкий лецитин

– ацетон», то представляет интерес исследование влияния обработки жидкого лецитина ИЭП на степень повышения содержания в жидком лецитине индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот.

Цель исследования – изучение влияния ИЭП на изменение структурного состояния молекул ФЛ, ТАГ и свободных жирных кислот, содержащихся в жидком лецитине, для обоснования эффективности применения ИЭП в процессе обезжиривания жидкого лецитина.

Задачи: сравнить структурное состояние молекул ФЛ, ТАГ и свободных жирных кислот, содержащихся в жидком лецитине, до и после его обработки ИЭП; выявить влияние обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП на степень извлечения НЛ из жидкого лецитина в процессе его обезжиривания.

Объекты и методы. Объект исследования – жидкий подсолнечный лецитин, содержащий 61,5 % веществ, нерастворимых в ацетоне (ФЛ), и 37,9 % НЛ.

Обработку жидкого подсолнечного лецитина ИЭП осуществляли с применением лабораторной установки, состоящей из камеры с плоскопараллельно расположенными электродами, генератора сигналов ИЭП, сверхвысокоскоростного высоковольтного усилителя, прецизионного LCR-метра и цифрового осциллографа.

Образцы жидкого лецитина, предварительно нагретые до 35 °С, помещали в камеру с электродами, зазор между которыми составлял 3 см, и подвергали воздействию ИЭП при напряженности 6 кВ/см и количестве подаваемых единичных импульсов 72 000 в течение заданного времени.

Напряженность ИЭП и количество подаваемых единичных импульсов были определены в результате серии предварительных экспериментов.

Оценку эффективности влияния обработки жидкого лецитина ИЭП на переход содержащихся в жидком лецитине молекул ТАГ, свободных жирных кислот и ФЛ из одного структурного состояния в другое осуществляли путем измерения ядерно-магнитных релаксационных характеристик жидкого лецитина до и после его обработки ИЭП на ЯМР-анализаторе АМВ-1006 М (ВНИИМК, Россия).

Обработку системы «жидкий лецитин – растворитель» ИЭП в процессе обезжиривания проводили аналогично обработке жидкого лецитина.

В качестве растворителя использовали ацетон марки «ч.д.а.».

После обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП осуществляли отделение ацетоновой мисцеллы, содержащей НЛ, путем фильтрования под вакуумом. Затем из ацетоновой мисцеллы удаляли растворитель с помощью роторного испарителя под вакуумом и сушили под вакуумом при температуре 50 °С до постоянной массы для расчета степени извлечения НЛ из жидкого лецитина в процессе обезжиривания.

Степень извлечения НЛ рассчитывали в процентах, как отношение массы НЛ в ацетоновой мисцелле после удаления ацетона к массе НЛ, содержащихся в жидком лецитине.

Полученные экспериментальные данные обрабатывали с помощью пакета программ MS Excel и Statistica 9.0.

Результаты и их обсуждение. На первом этапе исследовали влияние продолжительности обработки жидкого лецитина ИЭП на изменение его ядерно-магнитных релаксационных (ЯМР) характеристик, а именно амплитуд сигналов

ЯМР протонов первой (А 1 ), второй (А 2 ), третьей (А 3 ) и четвертой (А 4 ) компонент, а также их суммарных значений.

В статье [14] нами было показано, что значение А 1 является количественной характеристикой содержания в образце жидкого лецитина протонов индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот; А 2 – протонов ассоциатов ТАГ и свободных жирных кислот; А 3 – протонов молекул ФЛ в виде мицелл низких порядков; А 4 – протонов молекул ФЛ в виде мицелл высоких порядков.

Учитывая это, сумма А 1 и А 2 характеризует содержание в образце жидкого лецитина НЛ, т. е. ТАГ и свободных жирных кислот, а сумма А 3 и А 4 – содержание собственно ФЛ.

Обработку жидкого подсолнечного лецитина ИЭП осуществляли в течение 5; 7 и 9 мин. Следует отметить, что предварительно было установлено отсутствие изменения ЯМР-характе-ристик жидкого лецитина при его обработке ИЭП менее 5 мин.

На рисунке 1 приведены данные по влиянию обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП на значение А 1 и А 2 (а) и на их сумму (б), а на рисунке 2 – на значения А 3 и А 4 (а) и на их сумму (б) по сравнению с образцом жидкого лецитина без обработки ИЭП (К).

Рис. 1. Влияние обработки жидкого лецитина ИЭП на значения А 1 (   ) и А 2 (    ) (а)

и на их сумму (б) при продолжительности обработки: 1–5 мин; 2–7 мин; 3–9 мин

б

Окончание рис. 1

К 1         2         3

б

Рис. 2. Влияние обработки жидкого лецитина ИЭП на значения А 3 (   ) и А 4 (    ) (а)

и на их сумму (б) при продолжительности обработки: 1–5 мин; 2–7 мин; 3 –9 мин

Из приведенных на рисунке 1 данных видно, что при повышении продолжительности обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП с 5 до 7 мин значение А 1 , характеризующее содержание в лецитине индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот, увеличивается, а значение А 2 , характеризующее содержание молекул ТАГ и свободных жирных кислот в виде ассоциатов, снижается за счет высвобождения из ассоциатов индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот.

При повышении продолжительности обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП с 7 до 9 мин А 1 и А 2 не изменяются, что, по-видимому, можно объяснить недостаточной интенсивностью воздействия ИЭП для дальнейшего высвобождения из ассоциатов индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот.

Из данных, приведенных на рисунках 1, б; 2, видно, что сумма амплитуд А1 и А2, значения амплитуд А3 и А4, а также их сумма, во время проведения экспериментов по обработке образцов жидкого подсолнечного лецитина ИЭП не изме- нялись, что свидетельствует об отсутствии высвобождения индивидуальных молекул ФЛ из мицелл низких порядков и является положительным моментом, так как в процессе обезжиривания жидкого лецитина высвобождение молекул ФЛ из мицелл низких порядков может привести к их потере с раствором НЛ в растворителе, а, следовательно, к снижению содержания ФЛ в обезжиренном лецитине.

Следует отметить, что в результате предварительных экспериментов по повышению интенсивности (напряженность ИЭП выше 6 кВ/см) и увеличению продолжительности (более 9 мин) обработки образцов жидкого подсолнечного лецитина ИЭП нами установлен нежелательный рост перекисных чисел указанных образцов.

На рисунке 3 представлены данные по влиянию продолжительности обработки жидкого подсолнечного лецитина ИЭП на степень повышения содержания индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот по сравнению с образцом жидкого подсолнечного лецитина без обработки ИЭП.

1 – обработка ИЭП в течение 5 минут;

2 – обработка ИЭП в течение 7 минут;

3 – обработка ИЭП в течение 9 минут

Рис. 3. Влияние продолжительности обработки жидкого лецитина ИЭП на степень повышения содержания индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот в его составе

Анализ данных рисунка 3 показывает, что обработка жидкого лецитина ИЭП в течение 7 мин обеспечивает степень повышения индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот в лецитине на 18,5 % по сравнению с образцом жидкого лецитина без обработки ИЭП.

Таким образом, обработка жидкого подсолнечного лецитина, предварительно нагретого до 35 °С, ИЭП в течение 7 мин при напряженности 6 кВ/см и количестве подаваемых единичных импульсов 72 000 обеспечивает максимальное содержание индивидуальных молекул ТАГ и свободных жирных кислот в жидком лецитине, что, в свою очередь, позволит получить обезжиренный лецитин с низким содержанием НЛ и высоким содержанием ФЛ.

Для подтверждения указанной гипотезы на следующем этапе проводили обработку системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП в процессе обезжиривания жидкого подсолнечного лецитина.

На рисунке 4 приведены данные по влиянию обработки системы «жидкий лецитин-ацетон» ИЭП в процессе обезжиривания жидкого лецитина на степень извлечения из него НЛ по сравнению со степенью извлечения НЛ из жидкого лецитина, в процессе обезжиривания которого не проводили обработку системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП.

Процесс обезжиривания жидкого лецитина ацетоном без обработки системы «жидкий леци-тин-ацетон» ИЭП осуществляли при температуре 35 °С, соотношении (масс./масс.) лецитин : ацетон, равном 1 : 6, и перемешивании в течение 10 мин с частотой вращения мешалки 20 с–1, а процесс обезжиривания жидкого лецитина с обработкой ИЭП – при температуре 35 °С, соотношении (масс./масс.) лецитин : ацетон – 1 : 6 путем смешивания жидкого лецитина и ацетона в течение 3 мин с частотой вращения мешалки 20 с–1, с последующей обработкой системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП в течение 7 мин.

• 1    – без обработки ИЭП;

• 2    – с обработкой ИЭП

Рис. 4. Влияние обработки системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП в процессе обезжиривания жидкого лецитина на степень извлечения из него НЛ

Из приведенных на рисунке 4 данных видно, что обработка системы «жидкий лецитин – ацетон» ИЭП позволяет повысить степень извлечения НЛ на 16,1 %, а это, в свою очередь, под- тверждает эффективность применения метода воздействия ИЭП для интенсификации процесса обезжиривания жидкого подсолнечного лецитина.

Заключение. Таким образом, на основании комплекса проведенных исследований установлена эффективность применения метода нетермического физического воздействия, а именно метода воздействия ИЭП в течение 7 мин при напряженности 6 кВ/см и количестве подаваемых единичных импульсов 72 000 для интенсификации процесса обезжиривания жидкого подсолнечного лецитина.

Учитывая это, перспективными являются дальнейшие исследования по разработке технологии получения обезжиренных лецитинов с применением ИЭП.