Совершенствование процесса экстрагирования в производстве быстрорастворимых напитков Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

теоретические аспекты хранения и переработки сельхозпродукции

УДК 663.86:641.524.6

Совершенствование процесса экстрагирования в производстве быстрорастворимых напитков

С. Н. КРАВЧЕНКО, д-р техн. наук; Е. С. МИЛЛЕР, аспирант; И. О. ПЛОТНИКОВА, аспирант; А. М. ПОПОВ, д-р техн. наук, профессор Кемеровский государственный университет

Введение. В последнее время в России и за рубежом активно ведутся разработки многокомпонентных продуктов, которые позволяют компенсировать проблемы питания и проявляют выраженные профилактические и лечебные свойства. Выпуск пищевых продуктов, обогащенных биологически активными добавками, полученными из растительного сырья, не только повышает их пищевую ценность, но и способствует расширению ассортимента конкурентоспособных функциональных продуктов. Популярность функциональных продуктов стремительно растет, так как увеличивается число потребителей, желающих заботиться о своем здоровье [1].

В работах [2, 3] показано, что на сегодняшний день вследствие урбанизации жизни, проведения большего времени на работе снижается возможность приготовления полноценной пищи. В связи с этим продукты быстрого приготовления, в том числе гранулированные, пользуются все большим спросом.

Перспективными ингредиентами при производстве функциональных продуктов питания могут быть экстракты из сырья растительного происхождения, полезные свойства которых известны издавна. Многокомпонент-ность состава таких экстрактов, широкое применение их в народной медицине различных стран обеспечивают

1 2 3

Рис. 1. Аппарат для диспергирования и экстрагирования сырья растительного происхождения: 1 — корпус; 2 — излучатели ультразвуковые (3 шт., установлены под углом 120° друг относительно друга); 3 — рубашка термостатирующая; 4 и 5 — ротор и статор (РПА); 6 — ножи; 7 — конус направляющий

целесообразность их использования при производстве различных продуктов, в том числе быстрорастворимых напитков.

Экстрагирование биологически активных веществ из различных видов сырья растительного происхождения является наиболее распространенным процессом при производстве экстрактов, концентратов и других основ для различных пищевых продуктов (безалкогольных, молочных, пищеконцентратов и др.), определяющих в большей степени их функциональную направленность [4].

На процесс экстрагирования растительного сырья оказывают влияние многие факторы, которые следует учитывать при выборе условий экстракции: температура процесса; степень измельчения сырья, подвергаемого экстракции; полярность экстрагента; соотношение твердой и жидкой фаз, то есть системы «сырье — экстрагент»; физическое воздействие (создание различных гидродинамических режимов); продолжительность процесса и др.

Цель настоящего исследования — совершенствование процесса экстрагирования высушенного плодово-ягодного сырья в производстве быстрорастворимых гранулированных напитков.

Объекты и методы исследований. Для исследования процесса экстрагирования (извлечения биологически активных и сухих растворимых веществ) был предложен аппарат для диспергирования и экстрагирования плодово-ягодного и растительного сырья (пат. № 2340383), принципиальная схема которого представлена на рис. 1.

В процессе экстрагирования интенсивность ультразвуковых колебаний находилась в диапазоне 2—10 Вт/см2 с частотой 22 кГц, массовое соотношение системы «сырье — экстрагент» при этом составляло 1:5—1:15. В качестве экс-трагентов использовались вода, 30%-ный водно-спиртовой раствор (СР-30), 60%-ный водно-спиртовой раствор (СР-60), этанол, а также ультрафильтрат творожной сыворотки (УТС) с содержанием сухих веществ 5,1%, кислотностью 70 °Т, активной кислотностью 4,5 рН и плотностью 1020 кг/м3. Применение таких экстрагентов позволяет изменять спектр извлекаемых биологически активных веществ из растительного сырья и получать экстракты разной физиологической направленности. Температура в процессе экстракции варьировалась в диапазоне 30.. .50 °С, что позволило избежать разрушающего влияния на термолабильные биологически активные вещества, содержащиеся в сырье. Величина зазора между ротором и статором в аппарате изменялась от 0,4 до 1,0 мм, а продолжительность процесса составляла 10—60 мин. В качестве экстрагируемого сырья были использованы ягоды и

4 8

Интенсивность УЗ колебаний, Вт/см2

Рис. 2. Зависимость содержания сухих растворимых веществ в экстракте от интенсивности ультразвуковых колебаний:

1 — выжимки клюквы (УТС, 5 = 0,8 мм, С:Э = 1:5, t = 50 °С);

2 — ягода брусники (УТС, 5 = 0,6 мм, С:Э = 1:8, t = 50 °С);

3 — выжимки черники (УТС, 5 = 0,6мм, С:Э = 1:8, t = 50 °С);

4 — ягода голубики (СР-30, 5 = 0,4мм, С:Э=1:5, t = 40 °С);

5 — ягода черники (вода, 5 = 1,0 мм, С:Э = 1:8, t = 50 °С)

14

12 -

В

е

й 10

I

о;

а в о

8 -

6 -

1

__2

...........

........... —--А" 4

-г" - - -

0,3

0,5 0,7 0,9

Зазор между ротором и статором аппарата, мм

1,1

дол

к

а в о

• • • • • • • • • ___•- -%2

/ * ' ■ -V/ • • • • — ----Шз

Л" -•- -Щ Щ5

/

16 32 48

Время экстрагирования, мин

64

Рис. 4. Зависимость содержания сухих растворимых веществ в экстракте от зазора между ротором и статором аппарата:

1 — ягода брусники (УТС, С:Э = 1:5, t = 50 °С);

2 — ягода клюквы (УТС, С:Э = 1:8, t = 50 °С);

3 — выжимки клюквы (УТС, С:Э = 1:8, t = 30 °С);

4 — ягода черники (вода, С:Э = 1:5, t = 40 °С);

5 — выжимки голубики (СР-60, С:Э = 1:5, t = 40 °С)

выжимки клюквы, голубики, брусники и черники, произрастающих в Томской области, которые предварительно высушивались при температуре 50.. .55 °С до влажности 12—14%. Содержание сухих растворимых и биологически активных веществ в экстрактах определяли по общепринятым методикам.

Результаты и их обсуждение. Анализируя данные (рис. 2), полученные в результате проведенных исследований, можно отметить резкое увеличение содержания сухих веществ в экстракте при увеличении интенсивности вводимых колебаний от 2 до 8 Вт/см2, что приводит к

Рис. 3. Зависимость содержания сухих растворимых веществ в экстракте от продолжительности экстрагирования:

1 — ягода клюквы (УТС, 5 = 0,6 мм, С:Э = 1:5, t = 30 °С);

2 — выжимки черники (УТС, 5 = 1,0мм, С:Э = 1:8, t =40 °С);

3 — ягода черники (УТС, 5 = 0,8 мм, С:Э = 1:12, t = 50 °С);

4 — ягода брусники (СР-30, 5 = 1,0 мм, С:Э = 1:5, t = 30 °С);

5 — ягода голубики (этанол, 5 = 0,4 мм, С:Э = 1:5, t = 50 °С);

6 — выжимки брусники (СР-60, 5 = 0,4мм, С:Э = 1:5, t = 40 °С)

интенсификации процесса экстрагирования. Однако дальнейший рост интенсивности с 8 до 10 Вт/см2 приводит к снижению эффективности процесса ввиду образования на поверхности ультразвуковых излучателей многочисленных воздушных пузырьков, которые снижают передачу ультразвуковых колебаний в объем.

Динамика изменения массовой доли сухих веществ в зависимости от продолжительности экстрагирования отражена на рис. 3. Из представленных данных видно, что на выход экстрактивных веществ значительное влияние оказывает время экстрагирования. В зависимости от скорости процесс экстракции условно можно разделить на быстрый и медленный периоды. Наиболее доступные для экстрагента сухие растворимые вещества (те, что расположены на поверхности разорванных клеток и непрочно связаны со структурой экстрагируемого сырья) извлекаются в первом периоде. Во втором, более медленном периоде резко снижается скорость извлечения и по истечении 60 мин экстрагирования практически наступает подвижное фазовое равновесие, массоперенос прекращается. В течение первого, более быстрого периода в растворитель переходит большая масса сухих растворимых веществ; таким образом, в первые 20 мин для различных экстрагентов извлекается сухих растворимых веществ в среднем 89,9-92,1%.

Установлено, что 30%-ным водно-спиртовым раствором извлекается наибольшее количество экстрактивных веществ из высушенных ягод и выжимок, а наименьшее — этанолом.

Установлено (рис. 4), что при зазоре между ротором и статором аппарата в 1,0 мм наблюдается наибольший выход сухих растворимых веществ. В случае уменьшении зазора происходит более сильное набухание сырья, связанное с переходом большого числа взвешенных частиц

0

4

Экстрагент Брусника Голубика Клюква Черника

ягода выжимки ягода выжимки ягода выжимки ягода выжимки

Витамин С, мг/100 г

Вода 7,74±0,25 1,50±0,02 7,61±0,32 1,50±0,14 17,82±0,2 3,35±0,09 11,9±0,21 2,34±0,10

СР-30 6,32±0,17 1,24±0,13 6,22±0,14 1,22±0,06 13,42±0,3 2,46±0,11 9,13±0,20 1,78±0,12

СР-60 4,97±0,10 1,03±0,08 4,92±0,22 0,95±0,05 11,24±0,2 1,98±0,13 7,23±0,12 1,32±0,15

Этанол 2,04±0,16 0,40±0,03 2,01±0,09 0,40±0,05 4,63±0,18 0,83±0,08 2,91±0,10 0,56±0,05

УТС 8,68±0,21 1,61±0,05 8,40±0,19 1,68±0,11 19,68±0,3 3,43±0,13 12,29±0,2 2,51±0,09

Биофлавоноиды (по рутину), мг/100 г

Вода 268±11 65±5 681±23 157±8 553±20 100±10 418±24 113±8

СР-30 289±19 103±8 764±14 269±17 586±11 173±9 444±28 188±12

СР-60 204±9 97±4 536±31 241±14 425±24 154±16 330±21 177±11

Этанол 124±10 54±5 349±9 142±12 280±26 89±9 204±19 94±4

УТС 194±13 67±3 526±25 166±12 424±36 112±12 328±16 122±10

Дубильные вещества, мг/100 г

Вода 0,11±0,02 0,28±0,01 0,27±0,2 0,64±0,01 0,09±0,01 0,29±0,02 0,16±0,1 0,43±0,02

СР-30 0,14±0,01 0,37±0,02 0,38±0,1 0,89±0,01 0,12±0,01 0,39±0,01 0,24±0,01 0,62±0,03

СР-60 0,19±0,01 0,43±0,02 0,47±0,2 1,01±0,01 0,15±0,02 0,45±0,02 0,30±0,01 0,69±0,02

Этанол 0,13±0,01 0,34±0,01 0,34±0,1 0,80±0,01 0,11±0,01 0,36±0,01 0,21±0,02 0,54±0,01

УТС 0,12±0,02 0,29±0,01 0,31±0,1 0,70±0,01 0,09±0,01 0,30±0,02 0,18±0,01 0,45±0,01

в экстрагент, что способствует увеличению гидравлического сопротивления, формированию застойных зон, снижению эффективности процесса.

Величина гидромодуля влияет как на выход сухих растворимых веществ, так и на вкусовые и ароматические показатели получаемых экстрактов. Результаты органо-лептической оценки показали, что в зависимости от соотношения системы «сырье — экстрагент» эти показатели ухудшаются в ряду: 1:8 > 1:5 > 1:12 > 1:15.

Проведенные исследования эффективности извлечения сухих растворимых веществ позволили определить следующие рациональные параметры процесса экстрагирования: продолжительность процесса — 20 мин; гидромодуль — 1:8; зазор между ротором и статором аппарата — 1 мм; температура — 50 °С. При данных параметрах выход сухих растворимых веществ и суммы биологически активных веществ, обладающих антиоксидантными свойствами, близок к максимальному, а полученные экстракты имеют гармоничный вкус и аромат. Содержание биологически активных веществ в экстрактах при определенных рациональных условиях процесса приведено в таблице.

Анализ данных показывает целесообразность применения данных экстрактов в производстве пищевых продуктов функционального назначения. Установлено, что наибольшее извлечение витамина С достигается при использовании в качестве экстрагента УТС, биофлаво-ноидов и дубильных веществ — 30 и 60% водно-спиртовым раствором соответственно.

На базе аппарата для диспергирования и экстрагирования разработана технологическая схема производства быстрорастворимых гранулированных напитков, содержащая типовые технологические процессы, увязанные между собой с помощью системы машин во времени и в пространстве. На рис. 5 показана структурная схема технических систем, которая обеспечивает технологический процесс производства функциональных быстрорастворимых напитков на основе плодово-ягодных экстрактов [5].

Анализ структурной схемы производства быстрорастворимых гранулированных напитков (рис. 5) показывает, что это разветвленные сходящиеся потоки, в которых ведущим является участок формирования качества и функциональных свойств готовых напитков. В нашем случае это участок экстрагирования плодово-ягодного сырья. Именно в нем формируются основные параметры качества быстрорастворимых гранулированных напитков функциональной направленности.

Создана операторная модель (подсистема) участка извлечения биологически активных веществ из сырья растительного происхождения (рис. 6). Подсистема экстрагирования функционирует следующим образом. B емкость 5 аппарата для диспергирования и экстрагирования (моделируемого оператором II) процессорами 1 и 2 из оператора I подается экстрагент (вода, этанол или их растворы; УТС). Затем с помощью процессоров 3 или 4 в аппарат с растворителем загружается растительное сырье, в качестве которого выступают сухие ягоды либо грубо измельченные сухие выжимки. Происходит одновременное измельчение и экстрагирование с помощью процессора 7. Процессоры 8 и 9 обеспечивают заданную температуру процесса. Смесь, подверженная экстракции (твердая фаза и вытяжка), дозируется процессором 1 в оператор фильтрования III, где происходит ее разделение процессором 2 на экстракт и шрот.

Проведен сравнительный анализ стабильности функционирования данной (модернизированной) подсистемы и подсистемы с традиционным способом экстрагирования. Для определения стабильности подсистем и уровня целостности технологического потока производства быстрорастворимых гранулированных напитков использовалась разработанная академиком В. А. Панфиловым методика на основании режимно-технологических параметров работы оборудования и результатов замеров, контролируемых основных качественных показателей сырья и полуфабрикатов [6]. Выход из существующей и модернизированной подсистем экстрагирования оценивали контро-

Сушилка

к

Весы

1

Весы

' 1

Смеситель

)

Весы

Бункера для сухих ингредиентов

Дозатор <-

Емкости для жидких ингредиентов

Дозатор

Емкость для гранулирующей жидкости

Весы

Сушилка

Классификатор

Дозатор

Фасовочно-упаковочный автомат

Оборудование для подготовки сырья

Оборудование для получения экстрактов

Оборудование для упаривания экстрактов

Оборудование для подготовки сухой основы гранул

Оборудование для гранулирования напитков

Оборудование для товарного оформления

Рис. 5. Структурная схема технической системы процесса производства быстрорастворимых гранулированных напитков Экстракт ...

-- '"пг,т целом, благодаря этому произошло смещение уровня

целостности исследуемой технологической системы из области плохо организованных, суммативных систем в область высокоорганизованных, целостных систем.

Таким образом, применение разработанного аппарата обеспечивает повышение эффективности процесса и увеличение глубины извлечения биологически активных веществ из растительного сырья посредством более интенсивного воздействия на его клеточную структуру. Благодаря чему повышается выход сухих растворимых веществ с сохраненной физиологической ценностью. Ввиду отсутствия необходимости предварительного измельчения экстрагируемого сырья появляется возможность сократить одну технологическую операцию и снизить материальные, энергетические и трудовые затраты. Применение таких экстрактов в качестве ингредиентов позволит поднять качество выпускаемых быстрорастворимых гранулированных напитков на новый уровень, а стабильное качество сделает их более конкурентоспособными на рынке.

спиртовой конденсат

Рис. 6. Подсистема экстрагирования, имеющая операторы:

I—резервирования и хранения экстрагента;

II — образования экстракта; III — фильтрования экстракта

лируемыми параметрами: массовой долей сухих растворимых веществ в экстракте, %; содержанием витамина С в экстракте, мг/100 г.

Результаты исследования показали, что стабильность адаптированной подсистемы экстрагирования в течение оцениваемого отрезка времени увеличилась с 0,64 до 0,92. Что, в свою очередь, привело к значительному повышению уровня целостности технологического потока в

Литература

1. Пилипенко, Т. В. Обогащенные творожные продукты / Т. В. Пилипенко, О. Ю. Орлова // Переработка молока. — 2008. — № 4. — С. 58-60.

2. Кравченко, С. Н. Формирование потребительского поведения на рынке продуктов функционального назначения / С. Н. Кравченко, Г. С. Драпкина, М. А. Постолова // Пищевая промышленность, 2008. — № 4. — С. 42-43.

3. Кравченко, С. Н. Научное обоснование разработки технологических потоков и оценки качества быстрорастворимых гранулированных продуктов: дисс. ... д-ра техн. наук: 05.18.15 и 05.18.12 / С. Н. Кравченко. — Кемерово, 2011. — 322 с.

4. Белобородов, В. В. Проблемы экстрагирования в пищевой промышленности / В. В. Белобородов // Известия вузов СССР. Пищевая технология. — 1986. — № 3. — С. 6-11.

5. Кравченко, С. Н. Производство обогащенных продуктов с использованием экстрактов и их товароведная оценка / С. Н. Кравченко, С. С. Павлов. — Кемерово: Кузбассвуз-издат, 2006. — 151 с.

6. Панфилов, В. А. Диагностика технологий при разработке системы оборудования для производства сыров /

B. А. Панфилов, Л. А. Остроумов, М. П. Щетинин // Хранение и переработка сельхозсырья. — 1997. — № 10. —

C. 6-9.

References

1. Pilipenko, T. V. Obogashhennye tvorozhnye produkty / T. V. Pilipenko, O. Ju. Orlova // Pererabotka moloka. — 2008. — № 4. — S. 58-60.

2. Kravchenko, S. N. Formirovanie potrebitel'skogo povedenija na rynke produktov funkcional'nogo naznachenija / S. N. Kravchenko, G. S. Drapkina, M. A. Postolova // Pish-hevaja promyshlennost», 2008. — № 4. — S. 42-43.

3. Kravchenko, S. N. Nauchnoe obosnovanie razrabotki tehno-logicheskih potokov i ocenki kachestva bystrorastvorimyh granulirovannyh produktov: diss. ... d-ra tehn. nauk: 05.18.15 i 05.18.12 / S. N. Kravchenko. — Kemerovo, 2011. — 322 s.

4. Beloborodov, V. V. Problemy jekstragirovanija v pishhevoj pro-myshlennosti / V. V. Beloborodov // Izvestija vuzov SSSR. Pishhevaja tehnologija. — 1986. — № 3. — S. 6-11.

5. Kravchenko, S. N. Proizvodstvo obogashhennyh produktov s ispol'zovaniem jekstraktov i ih tovarovednaja ocenka / S. N. Kravchenko, S. S. Pavlov. — Kemerovo: Kuzbassvuziz-dat, 2006. — 151 s.

6. Panfilov, V. A. Diagnostika tehnologij pri razrabotke sistemy oborudovanija dlja proizvodstva syrov / V. A. Panfilov, L. A. Ostroumov, M. P. Shhetinin // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. — 1997. — № 10. — S. 6-9.

Совершенствование процесса экстрагирования в производстве быстрорастворимых напитков

Ключевые слова

биологически активные вещества; плодово-ягодное сырье; рациональные параметры; стабильность технологической системы; сухие растворимые вещества; экстрагирование.

реферат

Сегодня большой популярностью пользуются многокомпонентные продукты, которые позволяют компенсировать проблемы питания и проявляют выраженные лечебные и профилактические свойства благодаря обогащению биологически активными добавками. В качестве перспективных ингредиентов при производстве функциональных продуктов, в частности быстрорастворимых напитков, могут выступать экстракты из растительного сырья. Для получения конкурентоспособных продуктов высокого качества необходимо учитывать влияние множества факторов на процесс экстракции. Разработан аппарат для диспергирования и экстрагирования плодово-ягодного и растительного сырья. В качестве экстрагируемого сырья использовались предварительно высушенные при температуре 50...55 °С до влажности 12-14% ягоды и выжимки клюквы, голубики, брусники и черники, произрастающие в Томской области. В качестве экстрагентов применялись: ультрафильтрат творожной сыворотки; вода, этанол и их растворы. Содержание сухих растворимых и биологически активных веществ в экстрактах определялось по общепринятым методикам. Определены рациональные параметры процесса экстрагирования, при которых выход сухих растворимых веществ и суммы биологически активных веществ близок к максимальному, а полученные экстракты имели гармоничный вкус и аромат. Установлено, что наибольший выход витамина С достигается при использовании в качестве экстрагента — ультрафильтрата творожной сыворотки, биофлавоноидов и дубильных веществ — 30 и 60% водно-спиртовым раствором соответственно. На базе разработанного аппарата предложена структурная схема технической системы процесса производства быстрорастворимых гранулированных напитков. Сравнительный анализ подсистемы с традиционным способом экстрагирования и модернизированной подсистемы экстрагирования показал увеличение стабильности функционирования с 0,64 до 0,92, что привело к значительному повышению уровня целостности технологического потока в целом. Применение разработанного аппарата способствует повышению эффективности процесса, увеличению выхода сухих растворимых и биологически активных веществ из растительного сырья, снижению материальных, энергетических и трудовых затрат.

Авторы

Кравченко Сергей Николаевич, д-р техн. наук; Миллер Екатерина Сергеевна, аспирант; Плотникова Ирина Олеговна, аспирант; Попов Анатолий Михайлович, д-р техн. наук, профессор Кемеровский государственный университет, 650043, г. Кемерово, ул. Красная, д. 6, k-sn@mail.ru; klyakca@mail.ru; ermilova-io@mail.ru; popov4116@yandex.ru

Improvement of the Extraction process in the production of instant Drinks

Key words

biologically active agents; dry soluble substances; extraction; fruit and berry raw materials; rational parameters; stability of technological system.

Abstract

Today multicomponent products which allow to compensate problems of food enjoy wide popularity and show the expressed medicinal and preventive properties thanks to enrichment by dietary supplements. As perspective ingredients by production of functional products, in particular instant drinks, vegetable raw materials extracts can act. For receiving quality competitive products it is necessary to consider influence of a set of factors on extraction process. The device is developed for dispergating and extraction of fruit and berry and vegetable raw materials. As the extracted raw materials were used 12-14% of berry which are previously dried up at a temperature of 50...55 °C to humidity and a pressing of a cranberry, blueberry, cowberry and bilberry growing in the Tomsk region. As ekstragent were applied: ultrafiltrate of cottage cheese serum; water, ethanol and their solutions. Content of dry soluble and biologically active agents in extracts was determined by the standard techniques. Rational parameters of process of extraction at which an exit of dry soluble substances and the sum of biologically active agents, is close to maximum are determined, and the received extracts had harmonious taste and aroma. It is established that the greatest exit of vitamin C is reached when using as the ekstragent — an ultrafiltrate of cottage cheese serum, bioflavonoids and tannins — 30 and 60% by aqueous-alcoholic solution respectively. On the basis of the developed device the block diagram of technical system of process of production of the instant granulated drinks is offered. The comparative analysis of a subsystem with a traditional way of extraction and the modernized subsystem of extraction has shown increase in stability of functioning with 0,64 to 0,92 that has led to substantial increase of level of integrity of a technological stream in general. Use of the developed device promotes increase in efficiency of process, increase in an exit of dry soluble and biologically active agents from vegetable raw materials, to decrease in material, power and labor inputs.

Authors

Kravchenko Sergei Nikolaevich, Doctor of Technical Science;

Miller Ekaterina Sergeevna, Graduate Student;

Plotnikova Irina Olegovna, Graduate Student;

PopovAnatolii Mikhailovich, Doctor of Technical Sciences, Professor

Kemerovo State University,

6 Krasnaya st., Kemerovo, 650043, Russia,

k-sn@mail.ru; klyakca@mail.ru; ermilova-io@mail.ru;

popov4116@yandex.ru