ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ СВОЙСТВ РЯБИНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (SORBUS AUCUPARIA L.)
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Приведены результаты экспериментальных исследований диффузионных свойств Sorbus aucuparia L. (рябины обыкновенной). Получены данные по кинетике влагопоглощения экстрагента частицами твердой фазы и изменения их размеров в процессе экстрагирования. Определены численные значения коэффициента диффузии. На основе полученных результатов можно идентифицировать неизвестные параметры математической модели процесса и проанализировать работу экстракционного оборудования.

Ключевые слова:
Влагопоглощение, эквивалентный размер, коэффициент диффузии, экстрагирование.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

 

Введение

Решение проблем повышения ассортимента и ка­чества комбинированных продуктов питания невоз­можно без привлечения новых инновационных тех­нологий и современного высокоэффективного обо­рудования. В качестве источников добавок в разно­образные продукты могут служить экстракты, полу­ченные из плодоягодного сырья, в силу их доступно­сти, широкого распространения в регионах и ком­плекса веществ, содержащихся в их структуре. Для правильного выбора экстракционного оборудования и его расчета необходимо знать свойства перераба­тываемого сырья, в первую очередь его диффузион­ные характеристики. Диффузионные свойства сырья позволяют выявить наиболее существенные стадии процесса экстрагирования, помогают определиться с выбором экстракционного оборудования, а также используются при расчете процесса и физическом моделировании экстракторов.

 

Объекты и методы исследований

В качестве объекта исследований были выбраны плоды рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.). Плоды рябины содержат до 18 мг/100 г каротина, криптоксантин, флавоноиды, кверцетин, изокверце­тин и рутин, витамины Е и В, антоцианы, дубильные вещества, фосфолипиды, до 2 % пектиновых ве­ществ, парасорбиновую кислоту и ее моногликозид, тритерпеновые сапонины, сорбит, различные сахара, яблочную, винную и лимонную кислоты. Плоды ря­бины ценны как поливитаминное сырье. Особенно много в них провитамина А – β-каротина, а также витамина Р и аскорбиновой кислоты.

Спиртовой экстракт из плодов рябины обладает ярко выраженными антибактериальными свойствами в отношении возбудителей тифопаратифозных забо­леваний. Органические кислоты и горечи рябины по­вышают секрецию и усиливают переваривающую способность желудочного сока, что наряду с желче­гонным эффектом способствует улучшению пищева­рения. Желчегонное и холеретическое действие сор­бита подтверждено в опытах на животных [1].

Основным показателем диффузионной прони­цаемости сырья, его способности извлекать вещества из частиц твердой фазы является коэффициент диф­фузии. Для определения численных значений коэф­фициента диффузии использовали интервально-бе­зытерационный метод, который предполагает, что частицы твердого тела изменяют свои свойства под влиянием процессов, происходящих при их контакте с экстрагирующей жидкостью. При этом частицы материала интенсивно поглощают жидкую фазу и, как следствие, изменяют свои геометрические раз­меры под действием сил капиллярного давления. По­глощение жидкости твердым телом существенно сказывается на скорости извлечения целевого ком­понента и соответственно на величине коэффициента диффузии. Коэффициенты поглощения экстрагента и размеры частиц входят в расчетное уравнение коэф­фициента диффузии. Поэтому возникает необходи­мость в экспериментальном определении кинетики поглощения экстрагента и изменения при этом экви­валентного размера частиц жома рябины [2]. Эти ве­личины определялись в предварительных экспери­ментах, аппроксимировались гладкими функциями (во избежание случайных погрешностей) и вводи­лись в программу по расчету коэффициента диффу­зии.

Для определения кинетики влагопоглощения экс­трагента растительным материалом эксперименталь­ные исследования проводились в такой последова­тельности. Навеску жома рябины массой 10 г засы­пали в предварительно взвешенный химический ста­кан и заливали 100 г экстрагента (30 % водно-спир­товой раствор), который подогревали до темпера­туры опыта [3]. Далее стакан помещали в термостат, где выдерживали в течение одного часа. В целях об­легчения доступа экстрагента к частицам сырья ста­кан подвергали вибрационному воздействию. Затем полученную смесь пропускали через бумажный фильтр и раздельно взвешивали твердую и жидкую фазы.

Исследование процесса набухания частиц сырья проводили согласно следующей методике. Частицы жома рябины размером 3 мм в количестве 10 штук помещали в химический стакан и заливали экстра­гентом, имеющим температуру опыта. Выбор коли­чества частиц сырья, равного десяти, был обоснован Ш.В. Чхаидзе [4]. Далее стакан помещали в термо­стат, где выдерживали в течение 60 минут. Опреде­ление размера частиц производили при помощи био­логического микроскопа марки 540 ЛаМС-11 с крат­ностью увеличения 63¸1350 раз. Для этого на части­цах делали срез, затем срез устанавливали перпенди­кулярно объективу микроскопа и фиксировали в ка­пле расплавленного парафина.

Все опыты в целях уменьшения влияния случай­ных погрешностей повторяли по три раза при темпе­ратурах 20, 40 и 60 °С. Продолжительность опытов изменялась в диапазоне от 5 минут до 1 часа.

Математическая обработка экспериментальных данных производилась при помощи программы STATISTICA 6.0.

 

Результаты и их обсуждение

В результате математической обработки экспе­риментальных данных получена аппроксимирующая зависимость влагопоглощения q от продолжительно­сти τ и температуры t процесса:

 

 

Кривые кинетики влагопоглощения в зависимости от времени изображены на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Кинетика влагопоглощения экстрагента расти­тельным материалом

 

Анализ этих кривых показывает, что наибольшая интенсивность поглощения наблюдается в течение первых 30 минут. Такая закономерность проявляется во всех опытах независимо от температуры. По исте­чении 50 минут влагопоглощение достигает своего максимального значения – 20 %.

Ниже представлено уравнение, описывающее за­висимость эквивалентного размера частиц R от тем­пературы t и продолжительности τ процесса, полу­ченное в результате обработки опытных данных. В качестве эквивалентного размера в случае аппрок­симации частиц сырья формой шара принимали по­ловину их диаметра:

 

 

Зависимости изменения эквивалентного размера частиц в ходе процесса экстрагирования изображены на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Изменение эквивалентного размера частиц жома рябины

 

Анализ данных показывает, что эквивалентный размер частиц жома рябины увеличивается в ходе процесса набухания примерно на 20 % и стабилизи­руется к концу 60-й минуты. В начальный момент времени изменение размеров незначительное, хотя в этот период поглощается основное количество жид­кости, что объясняется ее проникновением только в легкодоступные поры. По мере затухания процесса влагопоглощения уменьшается и скорость набуха­ния.

Полученные зависимости адекватно описывают процессы влагопоглощения и изменения размера частиц жома рябины при температуре 20–60 °С, про­должительности процесса до 60 минут. Данные уравнения использовались при расчете коэффици­ента диффузии.

Для экспериментального определения величины коэффициента диффузии жома рябины был исполь­зован экстракционный метод, при котором периоди­ческий (замкнутый) процесс проводился при снятом внешнем диффузионном сопротивлении. Поэтому особое внимание было уделено обеспечению участия в процессе всей поверхности твердых частиц.

Для определения коэффициента диффузии жома рябины нами был использован метод, в котором соз­дание гидродинамического режима снятия внешнего диффузионного сопротивления осуществляется бар­ботированием воздуха в смесь твердой и жидкой фаз в замкнутом объеме [5].

Содержание сухих веществ в полученном экс­тракте определялось с помощью рефрактометра уни­версального лабораторного марки УРЛ. Метод осно­ван на определении зависимости коэффициента пре­ломления от качественного и количественного со­ставов исследуемой системы.

По результатам определения содержания сухих веществ в жидкой фазе строились экстракционные кривые для замкнутого процесса, т.е. для случая, ко­гда извлечение биологически активных веществ оп­ределяется только диффузионными свойствами ис­следуемого материала.

Локальные значения коэффициента диффузии на­ходим по уточненному интервально-безытерацион­ному методу [2], основным расчетным уравнением которого при допущении, что частицы имеют шаро­образную форму, является:

 

,

 

где z – отношение избыточных концентраций на ин­тервале, отсчитанном от начала координат; Bi – диффузионный критерий Био; q – среднее соотноше­ние масс жидкости вне и внутри материала; mn – дей­ствительные корни характеристического уравнения; Fo – критерий Фурье на интервале.

 

.

 

Расчет коэффициента диффузии осуществляли в такой последовательности.

Количество чистого экстрагента в порах частиц твердой фазы Wi к концу i-го интервала определяли по формуле

 

,

 

где qi – значение коэффициента поглощения экстра­гента к концу i-го интервала; G – масса навески сы­рья, загружаемого в диффузионную камеру.

Количество чистого экстрагента Мi в жидкой фазе к концу i-го интервала составляет:

 

,

 

где S – масса жидкости, поступающей в диффузион­ную камеру в качестве экстрагента; Сi – начальная концентрация извлекаемых веществ в экстрагенте;  Qi – объем экстракта, отбираемого в конце i-го интер­вала для определения содержания сухих веществ.

Концентрацию извлекаемых веществ, содержа­щихся в порах частиц твердой фазы Сi к концу i-го интервала, определяли из уравнения материального баланса:

 

,

 

где х – содержание извлекаемых веществ в сырье, характеризующее собой их количество в единице аб­солютно сухого материала.

Первые два слагаемых этого уравнения учиты­вают количество извлекаемых веществ, вносимых соответственно твердым телом и экстрагентом, третье – их количество при отборе проб, а четвертое – содержащееся в жидкой фазе.

Концентрация извлекаемых веществ в твердой фазе к условному начальному состоянию  состав­ляет:

 

,

 

 

а избыточная концентрация в конце i-го интервала ji определяется из выражения

 

.

 

Тогда симплекс концентрации на интервале zi бу­дет равен:

 

 

Предполагая линейный характер изменения ко­эффициента поглощения экстрагента на интервале, определяли соотношение расхода фаз qi на i-м ин­тервале:

 

.

 

По основному расчетному уравнению для частиц твердой фазы, приведенной к шарообразной форме, с учетом значения qi и соответствующих Bi ® ¥ кор­ням характеристического уравнения mn на интервале подбирали значение критерия Фурье Foi [6]. Подбор Foi продолжался до совпадения рассчитанных и опытных значений симплекса концентраций zi в пре­делах принятой допустимой погрешности (не более 1 %). Тогда среднее значение коэффициента диффузии Di на интервале рассчитывали по формуле

 

,

 

где Ri – эквивалентный размер частиц на i-м интер­вале, ; Dti = ti ti-1 – продолжительность    i-го интервала времени.

Методика проведения экспериментов по снятию экстракционных кривых замкнутого процесса экст­рагирования заключалась в следующем. В диффузи­онную камеру помещали навеску сырья массой 50 г. Одновременно с подачей воздуха навеску жома за­ливали экстрагентом в количестве 500 г, который предварительно нагревали до температуры опыта. Через определенные промежутки времени пипеткой отбирали пробы экстрагента для определения в нем содержания сухих веществ методом рефрактометри­ческого анализа.

Данные исследования проводили на установке, схема которой изображена на рис. 3.

Установка состоит из диффузионной камеры 1, в которую загружается исследуемый материал и экст­рагент, размещенной в термостатическом сосуде 2. Камера снабжена обратным холодильником 3 для поддерживания постоянного соотношения фаз. На крышке диффузионной камеры также размещены термометр 4 для контроля температурного режима процесса и пипетка 5 для отбора проб. В нижней части камеры имеется перфорированная перегородка 6, предназначенная для равномерного распределения подаваемого воздуха.

 

 

хладагент

 

теплоноситель

воздух

1

2

3

4

5

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Установка по определению коэффициента диф­фузии при снятом внешнем диффузионном сопротивлении

 


По результатам определения содержания сухих веществ в жидкой фазе строились экстракционные кривые для замкнутого процесса экстрагирования, когда извлечение целевых компонентов опре-деляется только диффузионными свойствами исследуемого материала.

Эксперименты проводились при температурах   20, 40, 60 °С. Каждый опыт повторялся три раза, в рас­чет брался средний результат. При повышении тем­пературы процесса происходит увеличение значения коэффициента диффузии. Вместе с тем при темпера­туре экстрагирования свыше 60 °С наблюдается час­тичное разрушение витаминов и других биологиче­ски активных веществ [3]. Поэтому температуру 60 °С следует считать предельно допустимой.

Данные по изменению содержания сухих веществ в жидкой фазе при снятом внешнем диффузионном сопротивлении в зависимости от продолжительности процесса представлены на рис. 4.

Рис. 4. Кинетические кривые экстрагирования жома ря­бины при снятом внешнем диффузионном сопротивлении

 

Для определения величин коэффициента диффу­зии на интервалах нами составлена программа, по­зволяющая при использовании экспериментально полученных зависимостей рассчитать его численные значения.

По рассчитанным значениям были построены графики-зависимости изменения коэффициента диф-фузии жома рябины во времени при различной температуре (с учетом изменения влагопоглощения материала и изменения размера частиц твердой фазы), которые изображены на рис. 5.

 

Рис. 5. Зависимость изменения коэффициента диффу­зии жома рябины от продолжительности процесса

 

Характер изменения кривых объясняется сле­дующим образом.

В начальной стадии процесса экстрагирования происходит проникновение экстрагента в поры час­тиц жома рябины и интенсивное извлечение биоло­гически активных веществ, находящихся с ним в не­посредственном соприкосновении. Вследствие этого существенно повышается концентрация извлекаемых веществ в экстрагенте, что оказывает значительное влияние на рост толщины диффузионного погранич­ного слоя и внешнее диффузионное сопротивление массопереносу становится соизмеримо с внутрен­ним. На этой стадии, которая длится до 25–30 минут, коэффициент диффузии имеет максимальное значе­ние. Затем вследствие изменения физико-механиче­ских свойств материала, связанных с набуханием частиц и извлечением сухих веществ из труднодос­тупных для экстрагента пор, происходит уменьше­ние значений коэффициентов диффузии. Данное яв­ление характерно для всех температурных режимов процесса экстрагирования.

После обработки расчетных значений получена следующая зависимость коэффициента диффузии D от продолжительности и температуры процесса:

 

 

Это уравнение справедливо в диапазоне измене­ния температур 20–60 °С и продолжительности про­цесса до 1 часа.

Проведенные исследования по определению диффузионных свойств Sorbus aucuparia L. (рябины обыкновенной) позволили выявить наиболее сущест­венные стадии процесса экстрагирования, помогли определиться с выбором экстракционного оборудо­вания. Полученное уравнение можно использовать при расчете диффузионного критерия Био и коэффи­циента массоотдачи с целью анализа эффективности работы экстракционных аппаратов. Кроме этого, по­лученные зависимости можно использовать при рас­чете процесса и физическом моделировании экстрак­торов.

 

 

 

Список литературы

1. Пономарев, В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья / В.Д. Пономарев - М.: Медицина, 1976. - 274 с.

2. Лысянский, В.М. Экстрагирование в пищевой промышленности / В.М. Лысянский, С.М. Гребенюк. - М.: Агро-промиздат, 1987. - 188 с.

3. Зологина, В.Г. Экстрагирование биологически активных веществ из рябины обыкновенной / В.Г. Зологина, Т.В. Борисова, Б.Д. Левин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 7. - С. 35-37.

4. Чхаидзе, Ш.В. Интенсификация процесса экстрагирования чая: дис. … канд. техн. наук. - Киев, 1984. - 254 с.

5. Виноградов, К.И. Разработка ступенчатого способа непрерывного получения экстракта из обжаренного кофе: дис. … канд. техн. наук. - М., 1987. - 262 с.

6. Аксельруд, Г.А. Экстрагирование. Система твердое тело - жидкость / Г.А. Аксельруд, В.М. Лысянский. - М.: Химия, 1974. - 256 с.


Войти или Создать
* Забыли пароль?