Интенсификация экстрагирования инулина из клубней топинамбура с применением вибрационного воздействия

Одной из основных современных тенденций мирового рынка пищевых продуктов является быстрый рост объемов производства и потребления функциональных продуктов питания. Актуальность здорового питания подтверждается исследованиями, указывающими на прямую зависимость между иммунным статусом человека и потребляемой им пищей.

На рубеже вступления Российской Федерации во Всемирную торговую организацию приоритетным направлением для пищевой промышленности, является создание конкурентоспособной высококачественной и, что немало важно, полезной с точки зрения физиологии питания продукции. К настоящему времени рядом отечественных и зарубежных ученых доказана и внедрена в практику «концепция здорового питания», позволяющая влиять на иммунный статус организма немедикаментозным способом. Данная идеология отразилась в распоряжении Правительства РФ от 25 октября 2010 г. № 1873-р «Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года».

Интерес производственных компаний и государства существенно улучшил ситуацию на рынке питания за счет изменения структуры потребления пищевых продуктов. Однако, не смотря на положительные тенденции, по-прежнему стоит острый вопрос малого ассортимента и дороговизны функциональных пищевых ингредиентов.

На сегодняшний день известно более двух тысяч пищевых ингредиентов функционального назначения, большую часть из которых получают из растительного сырья.

Все более широкое применение находит инулин-природный полисахарид растительного происхождения. Он представляет собой полифруктозан, содержащий, как правило, максимум 27 -35 остатков фруктозы в фуранозной форме и один остаток глюкозы в пиранозной форме. Молекулярная масса 5000 — 6000. Инулин характеризуется широким спектром позитивного воздействия на организм человека: стимулирует рост полезной микрофлоры кишечника, нормализует уровень липидов и сахара в крови, снижает факторы риска сердечнососудистых заболеваний, способствует усвоению кальция, магния и железа, содействует выведению токсинов из организма[1].

В качестве запасного полисахарида инулин содержится во многих растениях, но в наибольшем количестве накапливается в клубнях топинамбура и корнеплодах цикория. За рубежом инулин получают в основном из цикория. В России перспективным сырьем считается топинамбур. В отличие от цикория он имеет более простую агротехнологию и высокую урожайность зеленой массы и клубней, при этом не накапливает вредных веществ. Массовая доля инулина в клубнях топинамбура достигает 77% от сухого веса. В состав сухих веществ также входят олигофруктозиды, пектиновые вещества, клетчатка, минеральные элементы и органические кислоты, которые в комплексе с витамином С являются ярко выраженными антиоксидантами [2].

Клубни топинамбура грушевидной, веретеновидной, продолговатой и овальной формы, вес их колеблется от 10 до 400 г, средняя масса клубней около 50 г. Кожура у них тонкая и практически без пробкового слоя. Окраска кожуры зависит от сорта и может быть белой, желтой, розовой, красной и фиолетовой. Корнеплоды современных сортов — гладкие, ровные, грушевидной и овальной формы, с глазками (почками), погруженными в клубень (это позволяет механизировать их уборку и посадку), сочные, хрустящие, некрахмалистые, с ароматным запахом и сладковатым вкусом. Топинамбур имеет высокую урожайность: 350−500 ц/га зеленой массы и 200−600 ц/га клубней. На одном растении образуется клубней общей массой до 4 кг. Различают ранне-, среднеи позднеспелые сорта. Убирают клубни в октябре — ноябре, по мере надобности. Основную уборку проводят ранней весной, как только разморозится почва. Клубни могут перезимовать в почве под снегом при температуре до минус 40 °C, не теряя товарных качеств и всхожести. Сырье можно назвать перспективным с точки зрения увеличения сезона переработки, его неприхотливости и высокой биологической ценности.

Предопределяющим фактором качественной и количественной характеристики получаемого инулина является процесс экстрагирования его из предварительно измельченных клубней. От того, насколько качественно прошла эта технологическая операция зависит процентный выход полисахарида, а, следовательно, и количество конечного целевого продукта. В настоящее время в качестве экстрагента преимущественно используется горячая вода (около 80°С), добавляемая в различных количествах (гидромодуль от 1:2 до 1:10). Процесс проводиться, как правило, в емкостях с мешалкой различной конструкции. Кроме того, используются экстракторы непрерывного действия (шнековые, роторно-пульсационные и т. д.), но сама суть процессов протекающих во время экстрагирования не меняется. Движущей силой экстракции является разность концентраций экстрагируемого вещества.

Анализ патентной литературы позволил выявить способы интенсификации процесса, к которым можно отнести следующие:

• — повышение температуры экстрагента, что скажется на увеличении коэффициента диффузии и движущей силы процесса, кроме того, снизится вязкость растворителя;
• — повышение относительной скорости движения фаз, что способствует увеличению коэффициента массоотдачи и сокращению времени экстракции;
• — интенсивное перемешивание, которое приводит к обновлению поверхности контакта твердых частиц с экстрагентом;
• — повышение давления, что в свою очередь уменьшит объем воздуха, локализованного в пористом объеме частиц при погружении твердого вещества в экстрагент;
• — подвод энергии, например, путем вибрации, пульсации, ультразвуковых и инфразвуковых колебаний.

Одним из наиболее эффективных способов интенсификации массообменных процессов является вибрационное воздействие, которое позволяет значительно ускорить процессы массообмена, снизить себестоимость и повысить качество получаемого продукта[3, 4].

Вибрационное воздействие на обрабатываемое сырье легко поддается регулированию путем изменения амплитуды и частоты вибрации, что дает возможность оптимизировать технологические режимы.

Увеличение выхода целевого продукта, при вибрационном воздействии происходит за счет того, что вибрация вызывает у частиц нарастающее движение относительно друг друга, в какой либо системе, а также относительно своего центра массы. Вследствие этого, увеличивается поверхность взаимодействия участвующих в этих процессах компонентов, интенсифицируются процессы теплои массообмена. Кроме того, в классическом экстрагирование применяется предварительно нагретая вода. Для повышения температуры этого экстрагента требуются дополнительные энергозатраты, которые увеличивают стоимость конечного продукта. При проведении массообмена с помощью вибрационного воздействия необходимость подогрева отсутствует, что положительно сказывается как на качестве целевого продукта, так и на его стоимости.

Целью данной работы являлось исследование и оценка эффективности вибрационного воздействия при экстрагировании инулина из клубней топинамбура.

Объектом исследования служили клубни топинамбура сорта «Интерес», которые подвергали мойке, очистке, бланшированию и измельчали до частиц величиной около 1 мм. Полученную мезгу подвергали однои двукратному экстрагированию горячей водой (t=75°С) при гидромодулях 1:2 и 1:4. Время экстрагирования 60 минут. Экстракцию опытных образцов проводили с применением вибрационного воздействия на специально изготовленной лабораторной установке. Контролем служилиобразцы, которые подвергали традиционному экстрагированию при постоянном перемешивании.

В экстрактах определяли выход инулина с использованием феррицианидного метода [5].

На первом этапе сравнивали эффективность экстрагирования с использованием вибрационного воздействия и без него. Результаты экспериментов представлены на рисунках 1 и 2.

экстрагирование инулин клубень топинамбур Рисунок 1 — Выход инулина в зависимости от кратности экстрагирования и гидромодуля при традиционном экстрагировании (без вибрации) Рисунок 2 — Выхода инулина в зависимости от кратности экстрагирования и гидромодуля при вибрационном экстрагировании с частотой 23, 4 Гц Анализ полученных графических и аналитических зависимостей показывает, что для традиционного способа проведения процесса существенным фактором является кратность экстрагирования. Так, при двухкратном экстрагировании выход инулина увеличился в два раза по сравнению с однократным.

При использовании вибрационного воздействия основная масса инулина перешла в экстракт уже при первом экстрагировании и составила 200% по сравнению с контрольными образцами (без вибрации), подвергнутыми однократному экстрагированию и 105% -двухкратному.

С увеличением кратности вибрационного экстрагирования выход инулина повышался, но незначительно. Следовательно, интенсификация процесса экстрагирования инулина с использованием вибрации позволяет не только увеличить выход целевого продукта, но и ограничиться однократным экстрагированием, что существенно сокращает расход воды.

В дальнейших экспериментах исследовали влияние вибрационного воздействия различной частоты и продолжительности на выход инулина при двух наиболее значимых гидромодулях 1:2 и 1:4.

Из графиков, представленных на рисунках 3 и 4, видно, что существует прямая зависимость выхода инулина от времени и частоты вибрации. При увеличении времени экстрагирования до 60 минут и частоты вибрационного воздействия до 23, 4 Гц выход целевого продукта достигает 95% от теоретически возможного при гидромодуле 1:2 и 96% - при гидромодуле 1:4. Полученные данные свидетельствуют о том, что при использовании вибрационного воздействия целесообразно экстракцию проводить при гидромодуле 1:2, так как увеличение соотношения «сырье: экстрагент» сопровождается небольшим повышением выхода полисахарида, но существенно увеличивает расход воды.

Рисунок 3 — Зависимость выхода инулина от частоты вибрационного воздействия с и времени экстрагирования при гидромодуле 1:2.

Рисунок 4 — Зависимость выхода инулина от частоты вибрационного воздействия с и времени экстрагирования при гидромодуле 1:4.

Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что применении вибрационного воздействия интенсифицирует процесс экстрагирования инулина из клубней топинамбура и увеличивает выход целевого продукта в 2 раза уже при однократном экстрагировании.

Применение данного вида воздействия позволяет получить не только технологический, но и экономический эффект за счет сокращения общей продолжительности процесса экстрагирования и снижения расхода воды.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России, проект 4.1897.2011.

• 1 Бархатов В. Ю., Мамедова Э. И., Рубан В. С. Способ гидролиза инулина из топинамбура // Известия вузов. Пищевая технология. 1998. — № 2- 3. С. 48−49.
• 2 Кожухова М. А., Бархатова Т. В., Алтуньян М. К., Хрипко И. А., Рыльская Л. А. Разработка технологии продуктов функционального питания на основе топинамбура // Известия вузов. Пищевая технология. 2005. — № 2 — 3. — С. 21 — 23.
• 3 Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. — М.: Агропромиздат, 1988. -272 с.
• 4 Понаморев В. Д. Экстрагирование лекарственного сырья — М.: Медицина, 1978. -105 с.
• 5 Ермаков А. И. Методы биохимического исследования растений /А.И. Ермаков, В. В. Арасимович, Н. П. Ярош и др.; Под ред. А. И. Ермакова. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Агропромиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987. -430 с.