CC BY
146
УДК 664.61
П. Е. Баланов, И. В. Смотраева, О. Б. Иванченко, Р. Э. Хабибуллин
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПЕКТИНА
Ключевые слова: пектин, ультразвук, яблокчные выжимки, экстракция, выход пектина.
Представленная статья посвящена проблеме совершенствования методов получения пектина из яблочных выжимок. Использование ультразвуковой обработки яблочных выжимок позволяет повысить эффективность экстракции пектина более чем на 20%. Показано, что использование сепарирования на стадии разделения раствора с пектином позволяет более чем в два раза ускорить процесс.
Keywords: pectin, ultrasound, pomace from apple, extraction, the yield of pectin.
The article is devoted to the improvement of the pectin obtaining methods from аpple pomace. The use of ultrasonic treatment of аpple pomace led to improvement of the pectin extraction efficiency by more than 20%. It is shown that the use of separation of the pectin solution allows to accelerate process more than twice.
Введение
Пектины относятся к тому числу полисахаридов, которые могут быть использованы в различных отраслях пищевой промышленности в качестве загустителей, гелеобразователей, эмульгаторов, стабилизаторов и лечебно-профилактических добавок [1,2].
Наиболее важным свойством пектина, с медицинской точки зрения, является его способность связываться с холестерином, радионуклидами, ионами тяжелых металлов и адсорбцией разложившейся ткани [3, 4] .Многолетние исследования под руководством ФАО/ВОЗ позволили в настоящее время раскрыть многоплановость действия пектина на организм человека:
- в организме человека пектин образует гели, которые при движении по кишечнику защищают стенки кишечника от раздражения;
- адсорбируют на своей поверхности токсичные вещества, тяжелые металлы, образуя нерастворимые комплексы, что способствуют их удалению из организма [5,6];
- попадая в кишечник, пектины сдвигают рН среды в более кислую сторону, оказывая бактерицидное действие на организм человека;
- защитное действие пектинов связывают с их способностью улучшать перистальтику кишечника [7].
Основным сырьем для получения пектинов служат отходы ряда пищевых производств. Из корок апельсина получают цитрусовый пектин, который наиболее популярен в мире благодаря меньшей стоимости. В кожуре апельсинов содержится много фермента пектинэстеразы, способствующего деэте-рификации пектина [8]. Кроме этого, пектин получают из корок мандаринов, лайма, лимонов; корзинок подсолнечника; сахарной свеклы [9], черной смородины [10]. Из некоторых видов кактусов пектин получают в Южной Америке
Степень этерификации играет большую роль при использовании пектинов. В зависимости от степени этерификации пектины делятся на высокоэтерифи-цированные - содержат в составе более 50% этери-фицированных остатков полигалактуроновой кислоты, и низкоэтерифицированные (НЭ) - содержат менее 50% этерифицированных остатков полигалак-туроновой кислоты. От степени этерификации зави-
сит степень желирования и текстура получаемого геля. Высокометоксилированный пектин (ВМ-пектин, ВЭ-пектины) несет слабый заряд и менее чувствителен к заряженным молекулам, например, белкам. ВМ-пектин повышает коллоидную стабильность белковых молекул, тем самым стабилизирует кислые напитки. При этом механизмом взаимодействия, по-видимому, является электростатическое взаимодействие между белком и пектином, а не адсорбция пектина на поверхности белковой молекулы [11].
В молочной промышленности и при получении соков из фруктов используются цитрусовые пектины, причем, лучшим качеством в технологии этих продуктов обладает пектин из лайма. Пектин из апельсинов и грепфрута имеет удовлетворительные характеристики, а совсем не подходит пектин из мандаринов [12].
Применение пектиновых веществ в хлебопечение обусловлено рядом причин. В производстве хлебобулочных изделий пектин используется для увеличения объема и влагоудержания при хранении, что позволяет получать более мягкие и пористые изделия, улучшить структурно-механические свойства мякиша и повысить его влажность. Таким образом, внесение пектина позволило продлить срок хранения продукта. Эти ценные свойства пектинов обусловлены его высокой влагоудерживающей способностью, что и позволяет улучшить качественные показатели хлеба. Высокие гидроколлодные свойства связаны с тем, что пектины в процессе поглощения воды конкурируют с крахмалом муки и снижают его гидратацию, а также пектины в процессы выпечки способны выделять влагу, вызывающую клейстеризацию крахмала [9].
Благодаря способности образовывать студни пектин широко применяется при производстве желейных изделий: мармелада, желейных начинок для конфет. Для этой цели лучше всего подходит яблочный пектин, благодаря своей высокой желирующей способности. Для фруктово-ягодных и овощных начинок, с содержанием сухих веществ 55-60% и более используются ВЭ яблочные или яблочно-цитрусовые пектины. Такие начинки используют в качестве наполнителей разнообразных изделий «вы-
печки». НЭ-пектины применяют при выработке начинок с содержанием сухих веществ ниже 55%. При использовании такого пектина необходимо правильное соотношение концентрации пектина и кальция, что является основой для образования геля нужной текстуры. [13].
Пектин из жома сахарной свеклы используется в технологиях диетических и фармацевтических продуктов, т.к. данный пектин обладает свойством связывать тяжелые металлы. Разработаны яблочные и томатные напитки на основе свекловичного пектина, которые могут быть рекомендованы жителям мегаполюсов, а также лицам, работающим на вредных производствах, таких как металлургия, химическая промышленность.
Пектин из корзинок подсолнечника используют в производстве косметических средств, т.к. он имеет высокую молекулярную массу, низкую степень эте-рификации и небольшое количество ацетильных групп [14]
Для получения пектина очень целесообразно использовать выжимки, получаемые из яблок в результате переработки их на сок [15]. Выход яблочного сока составляет от 50 до 75%, следовательно, оставшаяся часть - выжимки. Для предприятий, выпускающих соки, они являются отходами и их грамотная утилизация - это безусловная часть расходов, которая в итоге сказывается и на себестоимости продукции. В этой связи использование отходов одного производства, как сырья для другого предприятия уже является сильным ресурсосберегающим фактором.
У яблочных выжимок есть и свои недостатки. Так как это растительный продукт и, к тому же, очень сочный (влажность 70 - 90%) он подвержен микробиологической порче, что ограничивает его применимость в нативном виде. С другой стороны, если производство пектина осуществляется рядом с предприятиями по первичной переработке яблок, эта проблема частично снимается. Кроме того, существует возможность хранить и транспортировать выжимки в сушеном виде. Однако в этом случае неизбежны значимые энергозатраты на это мероприятие. Важно понимать, что для получения пектина, тем или иным методом, сушеные выжимки всё равно придётся увлажнять и выпаренная влага (плюс связанные с этим затраты) неизбежно удорожают продукт и усложняют технологическую цепочку. Интересным представляется вариант консервирования выжимок с помощью химических реагентов. Затраты на такую методику меньше, чем для высушивания продукта, однако открытым остаётся вопрос об отделении консерванта от полуфабриката во время производства пектина.
Экспериментальная часть
Технология производства пектина из яблочных выжимок существует и с разной степенью успешности реализуется в мире. Отечественные разработки охватывают период существования СССР и в своей базе опираются на знания и технические возможности того периода. В этой связи, авторы данной работы посчитали возможным произвести поиск мето-
дов по совершенствованию производственного процесса с учётом современных реалий. Типовая технологическая схема получения пектина выглядит следующим образом:
1. Получение выжимок
2. Опционно.Сушка и последующее измельчение
3. Экстракция растворимых веществ холодной водой
4. Отделение экстрагированных веществ (возможно использование для пищевой промышленности обогащенного остаточными сахарами и кислотами раствора)
5. Экстрагирование пектиновых составляющих выжимок горячей водой (температура до 92°С) при рН от 3,5 до 4,5
6. Опционно. Обработка амилолитическими и про-теолитическими ферментами с последующей инактивацией.
Опционно. Осветление активированным углём с последующим отделением частичек угля. Осаждение пектиновых фракций этиловым спиртом
Отделение осадка
10. Сушка осадка
11. Измельчение в молотковой дробилке Промышленное производство пектина это очень
трудоёмкий и ресурсозатратный процесс. Требуются серьёзные тепловые мощности и большой избыток этилового спирта для осаждения. Этот спирт после использования регенерируется, что также обязывает к большим энергетическим затратам.
Научные и инженерные изыскания, направленные на повышение эффективности получения пектина, ведутся в последние десятилетия непрерывно и затрагивают разные области технологического процесса. Это и повышение выхода готового продукта, и химические [16], и конструкторские решения.
Структурно пектин в растительных тканях входит в состав сложных комплексов, содержащих белок и гемицеллюлозу, которые, в свою очередь, связаны с целлюлозой, образуя достаточно прочный и при этом пластичный каркас. Схематично структура такого каркаса представлена на рисунке 1.
7.
8.
9.
о ц
9
с Ц
Ф
=Г
о ц
9
с ®
=Г
Рис. 1 - Схема положения пектиновых веществ в растительной клетке
Чтобы добыть пектин из этой сложной системы используются различные приёмы (химические, биохимические и физические). Авторами были проведены исследования, направленные на использование ультразвуковых волн для частичной дезинтеграции этой системы и отделения пектиновых фракций от других составляющих. Эффективность ультразвука для подобных целей неоднократно подтверждалась
научными исследованиями в том числе, проводимыми авторами данной работы [17,18,19].
Высокочастотные упругие колебания в среде вызывают появление областей с повышенным и пониженным давлением. В областях с пониженным давлением систематически образуются микроскопические вакуумные полости, которые коллапсируют (схлопываются), выделяя в близлежащие области механическую энергию, которая деформирует/разрывает растительную ткань. Конкретные точки разрывов каркасов клеток спрогнозировать затруднительно, однако сам факт механического разрушения можно наблюдать инструментально, например, по накоплению в среде того или иного вещества (в нашем случае пектина).
Для исследования использовался генератор ультразвуковых волн, сконструированный на основе пьезоэлементов. Электрическое поле, генерируемое прибором, вызывает колебания источника ультразвуковых волн, которое передаётся через стенки прибора к исследуемому материалу. В исследованиях использовалась частота ультразвуковых колебаний 42 КГц, хорошо зарекомендовавшая себя в предыдущих исследованиях. Важным критерием также является мощность воздействия ультразвуковых волн на образец. Установка позволяет работать с двумя мощностями 30 и 50Вт, что и определило границы эксперимента. Плавно варьируемой переменной величиной было выбрано время воздействия на образец. Итоговые результаты приведены на рисунке 2.
7
го 6
X
I 5
ш с 4
го 4 и
13
2 1 0
30 50
Мощность ультразвука, Вт
I время УЗ, 10 мин время УЗ, 13 мин время УЗ, 15 мин время УЗ, 20 мин
Рис. 2 - Выход пектина в зависимости от режима воздействия ультразвуком
Как видно из диаграммы, выход пектина зависит от времени воздействия на образец, причём со временем этот прирост снижается и в итоге останавливается, что может говорить о достижении некоей предельной величины деструкции при данной мощности. Максимальный прирост выхода пектиновых веществ составляет 26%. Мощность также влияет на выход пектиновых веществ, при увеличении мощности на 60 %, количество высвобождаемого пектина увеличивается, в среднем, на 10%.
Также проводились исследования, направленные на выявление температурного оптимума при экстракции пектиновых веществ из яблочных выжимок
с помощью горячей воды. С этой целью проводили экстрагирование при различных температурах, а затем осаждённый спиртом пектин выделяли из среды двумя способами: фильтрованием и сепарированием. Полученные данные приведены на рисунке 3.
Из полученных данных следует, что максимальный выход пектиновых веществ находится в области между 60 и 70°С. Подобные данные, в целом, коррелируют с данными из других источников, хотя столь широкий диапазон оставляет этот вопрос ещё открытым. Очень положительную динамику показывает использование сепарирования, как метода разделения смеси. В сравнении с традиционным фильтрованием, удаётся извлечь растворимые фракции пектина полнее, в среднем, на 10%. Кроме того существенно ускоряется сам процесс разделения.
Если фильтрование под вакуумом занимает 120 и более минут, то при использовании эффекта сепарации весь процесс, включая загрузку и разгрузку аппарата, занимает не более 50 минут. Таким образом, операцию отделения пектина можно ускорить более чем в два раза, при ощутимом увеличении его выхода.
Рис. 3 - Влияние температуры на выход пектиновых веществ
Обобщая полученные данные можно сделать следующие выводы:
1. В технологии производства пектина из яблочных выжимок есть большой потенциал для совершенствования в научном и инженерном смысле.
2. Использование ультразвуковой обработки яблочных выжимок позволяет повысить эффективность экстракции пектина более чем на 20%, причём мощность акустического воздействия, также благоприятно сказывается на продуктивности процесса.
3. Использование сепарирования на стадии разделения раствора с пектином позволяет более чем в два раза ускорить процесс, что применительно к производственным масштабам позволит существенно экономить время, что на сегодняшний день является определяющим экономическим фактором.
4. Существенный диапазон оптимума температурной экстракции можно объяснить растительной природой используемого сырья. Каждый сорт яблок и условия получения выжимок могут повлиять на
структуру клеточных стенок и, следовательно, на отдачу пектина при различной температуре.
Литература
1. Д.В., Романова Н.К., Решетник О.А. Пектин: освоенные и потенциальные возможности применения в пищевой промышленности// Известия СПБГУНиПт.-2008.-М 3.С.35-39
2. .Аймесон А. Пищевые загустители, стабилизато-ры,гелеобразователи.-СПб.- «Профессия». - 2012. -408с.
3. Gonzalez M., Rivas C., Caride B., Lamas M.A., Taboada M.C. Effects of orange and apple pectin on cholesterol concentration in serum, liver and faeces.// J Physiol Biochem. 1998 Jun;54(2).- P.99-104.
4. Минзанова С.Т., Миронов В.Ф., Цепаева О.В., Вышта-калюк А.Б., Миронова Л.Г., Миндубаев А.З., Пашагин А.В. Перспективы использования пектиновых биополимеров для создания лекарственных препаратов // Вестник КНИТУ.- 2014.- Т. 17, N 3.- С. 169-174
5. Тунакова Ю.А., Мухаметшина Е.С., Шмакова Ю.А. Исследование эффективности биополимерных сорбентов на основе пектина для выведения избыточного содержания металлов из организма // Вестник КНИТУ.-
2012.-Т. 15, N 8- С. 234-236.
6. Романова Н.К., Хрундин Д.В. Сорбционная способность плодово-ягодных пектинов// // Вестник КНИТУ.-
2013.-Т. 16, N 20- С. 211-212.
7. Дроздова Т.М., П.Е.Влощинский, В.М.Поздняковский. Физиология питания: Новосибирск: Сиб. университет. изд-во, 2007-352с.
8. Prade RA, Zhan D, Ayoubi P, Mort AJ. Pectins, pectinases and plant-microbe interactions // Biotechnol Genet Eng Rev. 1999.-N.16.-P.361-391.
9. Донченко Л.В. Технология пектина и пектинопродук-тов.-М.: ДеЛи,2000-225с.
10 Buchweitz M, Speth M, Kammerer DR, Carle R. Impsct of pectin type on the storage stability of black currant (Ribes
nigrum L.) anthocyanins in pectic model solutions // Food Chem. 2013 Aug 15;139(1-4).- P.1168-1178.
11.Tuinier R.,Rolin C.,de Kruif C.G. Electrosorption of pectin onto casein micelles// Biomacromolecules, 2002.-№3.-p.632-638)
12.Gomez B., Gullôn B, Yanez R, Parajô JC, Alonso JL.Pectic oligosacharides from lemon peel wastes: production, purification, and chemical characterization.//J Agric Food Chem. 2013 Oct 23;61(42): 10043-53
13.Солопенкова О.В.,Начинки и их состав:влияние углеводных компонентов// Кондитерское и хлебопекарное производство.-2013.-№3-4 (138-139).-с.24-25
14.Liu L., Chen G., Fishman M.LHicks K.B.. Pectin gel vehicles for controlled fragrance delivery // Drug Deliv. 2005 May-Jun;12(3):149-157).
15.Shalini R., Gupta D.K. Utilization of pomace from apple processing industries: a review. // J. Food Sci Technol. -2010 Aug;47(4):365-371).
16.Гимаев И.Н., Романова Н.К., Решетник О.А. Влияние параметров процесса гидролиза-экстракции на выход и качество пектина из плодово-ягодного сырья.// Вестник казанского технологического университета. 2004. №1. с214-218.
17. Смотраева И.В., Баланов П.Е., Третьяков Н.А. Применение ультразвука при переработке растительного сырья.// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2014. № 37. С. 264-267.
18. Баланов П.Е., Смотраева И.В. Комплексная переработка сливовой мезги для нужд пищевой промышленности// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2015. № 41. С. 47-52.
19. Баланов П.Е., Смотраева И.В. Воздействие ультразвука и микроволнового излучения на выход сока из дикорастущих ягод.// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2016. № 42. С. 52-56.
© П. Е. Баланов - к.т.н., доцент кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья Университет ИТМО, [email protected]; И. В. Смотраева - к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; О. Б. Иванченко - к.б.н., доцент Высшей школы биотехнологии и пищевых технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, [email protected]; Р. Э. Хабибуллин - д.т.н., профессор кафедры технологии мясных и молочных продуктов КНИТУ, [email protected].
© P. Balanov - candidate of technical sciences, assistant professor of the ITMO University, [email protected]; I Smotraeva - candidate of technical sciences assistant professor of the ITMO University, [email protected]; O. Ivanchenko - candidate of biological sciences, associate professor of the GSBFS of Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University, [email protected]; R. Khabibullin - doctor of technical sciences, professor of the Department of meat and dairy products technology of KNRTU, [email protected].
