Введение. Настойка – это алкогольный напиток, произведенный путем настаивания спирта разной крепости на различных ингредиентах. Основным сырьем для получения настоек всегда было и остается растительное сырье. Современные производители отдают предпочтение ягодам и фруктам, но встречаются отдельные варианты изделий, изготовленные на косточках, душистых и лечебных травах, пряностях, а также прочих составляющих [1].
Основной производственной стадией получения настоек и ароматных спиртов является процесс экстрагирования. На сегодняшний день экстрагирование – один из основных процессов, применяемый практически во всех отраслях промышленности [2].
Цель работы. Исследование и анализ влияния структуры сырья на эффективность экстрагирования в оборудовании различного вида.
Задачи:
• исследование процесса экстрагирования роторно-пульсационного экстрактора с применением центробежного экстрактора и экстрактора Сокслета;
• исследование влияния внутренней структуры растительного сырья на извлечение целевых компонентов из корня копеечника, гриба чага и плодов шиповника;
• определение рациональных режимных параметров проведения процесса экстрагирования и подбор наиболее эффективного оборудования;
• дегустационная оценка полученных экстрактов.
Объекты и методы исследования. В ходе исследования изучалось влияние структуры вещества на скорость экстрагирования в различных аппаратах с помощью нейтрального экстрагента, водно-спиртового раствора [2].
Для выполнения исследований было выбрано три вида сырья из различных групп: плоды шиповника, корень копеечника и гриб чага. Данное сырье было выбрано исходя из его доступности на территории Сибири, а также из-за высокого содержания биологически активных веществ. Все сырье хорошо сохраняется в высушенном состоянии [3].
Плоды шиповника содержат в большом количестве витамины А, С, В1, В2, РР, К, пантотеновую кислоту и флавоноиды. Шиповник используется для повышения общего иммунитета и сопротивляемости неблагоприятным факторам, положительно влияет на обмен веществ в организме человека, синтез гормонов и регенерацию тканей [3]. Плоды шиповника состоят из разросшегося мясистого, при созревании сочного цветоложа (гипантия) и заключенных в его полости многочисленных плодиков-орешков. Стенки высушенных плодов твердые, хрупкие. Внутри плоды обильно выстланы длинными, очень жесткими щетинистыми волосками. Орешки мелкие, продолговатые, со слабовыраженными гранями.
Корень копеечника благотворно влияет на организм человека, обладает рядом полезных свойств и положительно влияет на очищение организма, оказывает противовоспалительный эффект и др. Корень копеечника обладает волокнистой структурой, которая затрудняет его измельчение и последующую обработку.
Гриб чага очень разнообразен по своему химическому составу, который обуславливает спектр его полезных свойств. В частности, в его состав входят полифенолы с карбоновыми кислотами, агарициновая кислота и смолы. Именно такой состав придает ему свойства, оказывающие общеукрепляющее действие на организм человека и благоприятное влияние на пищеварительную систему. Гриб чага состоит из крупных, твердых желвакообразных наростов, внутри – коричневых, ближе к древесине обладает более мягким и пористым строением.
В настоящее время известно огромное множество конструкций оборудования для проведения процесса экстрагирования. Хорошо зарекомендовавшими себя в производственной среде считаются конструкции аппаратов, которые полностью самостоятельны, где не требуется предварительная подготовка сырья, его измельчение или дробление [4–6].
Согласно литературным данным, наиболее перспективными конструкциями экстракторов являются:
• экстрактор Сокслета [6];
• центробежный экстрактор [7];
• роторно-пульсационный аппарат (РПА) [8].
Основным показателем, по которому оценивается эффективность исследуемого процесса, является содержание сухих веществ. Сухие вещества в полученных образцах клюквенных настоек определяли при помощи анализатора влажности «AND MS-70», состоящего из двух частей: аналитические весы и сушильный блок. Принцип работы анализатора влажности «AND MS-70» состоит в анализе влаги, испаряющейся при нагревании образца [9].
Экспериментальные исследования проводились при постоянном соотношении твердой фазы и экстрагента 1:3. Выбор гидромодуля обусловлен классическими технологиями производства и обработки представленных продуктов [4–7].
Недостаточно оценивать только физико-химические параметры полученных настоек, что справедливо для продуктов пищевой промышленности. Поэтому была проведена дегустационная оценка для определения параметров вкуса, аромата и цвета. Качество алкогольных напитков оценивали по общеизвестным методикам органолептического анализа [9].
Экспериментальные результаты были математически обработаны с использованием метода множественного регрессионного анализа [10–11].
Результаты исследования и их обсуждение. Для решения поставленной цели и задач был проведен ряд экспериментов. Исследование влияния структуры растительного сырья и эффективности его экстрагирования в аппаратах различной конструкции проводилось с варьированием технологических параметров. Для экстрактора Сокслета изменялся объем загружаемого сырья в стаканчик (62 см3 – 50 г, 124 см3 – 100 г, 186 см3 – 150 г), для РПА и центробежного экстрактора изменялась частота вращения рабочих органов. Неотъемлемой характеристикой эффективности процесса является его продолжительность. Поэтому и оценка содержания сухих веществ производилась при одинаковой продолжительности работы аппарата [11]. Полученные результаты представлены в таблице.
Результаты экспериментальных исследований в экстракторах различных конструкций
|
№ п/п |
Экстрактор Сокслета |
Центробежный экстрактор |
Роторно-пульсационный аппарат |
|||||||||||||||
|
Vст, см3 |
τ, мин |
Cсух.вв, % |
Аромат, балл |
Цвет, балл |
Вкус, балл |
n, мин-1 |
τ, мин |
Cсух.вв, % |
Аромат, балл |
Цвет, балл |
Вкус, балл |
n, мин-1 |
τ, мин |
Cсух.вв, % |
Аромат, балл |
Цвет, балл |
Вкус, балл |
|
|
Гриб чага |
||||||||||||||||||
|
1 |
186 |
15 |
3,6 |
3,6 |
3,5 |
3,6 |
1600 |
15 |
3,9 |
3,5 |
3,6 |
3,5 |
1600 |
15 |
4,3 |
3,5 |
3,5 |
3,5 |
|
2 |
186 |
5 |
2,2 |
2,1 |
2,9 |
3,2 |
1600 |
5 |
2,5 |
2,2 |
3,0 |
3,2 |
1600 |
5 |
2,9 |
2,5 |
3,0 |
3,1 |
|
3 |
186 |
10 |
3,1 |
2,9 |
3,3 |
3,4 |
1600 |
10 |
3,3 |
2,9 |
3,3 |
3,4 |
1600 |
10 |
3,8 |
3,1 |
3,2 |
3,4 |
|
4 |
124 |
15 |
2,6 |
3,3 |
3,4 |
3,5 |
1400 |
15 |
3,8 |
3,4 |
3,4 |
3,3 |
1400 |
15 |
4,2 |
3,1 |
3,4 |
3,4 |
|
5 |
124 |
5 |
1,7 |
2,1 |
3,1 |
3,2 |
1400 |
5 |
2,5 |
2,4 |
3,2 |
3,1 |
1400 |
5 |
2,8 |
2,2 |
3,0 |
3,0 |
|
6 |
124 |
10 |
2,2 |
2,9 |
3,2 |
3,1 |
1400 |
10 |
3,2 |
3,0 |
3,3 |
3,2 |
1400 |
10 |
3,6 |
2,7 |
3,1 |
3,3 |
|
7 |
62 |
15 |
2,1 |
3,2 |
3,2 |
3,3 |
1200 |
15 |
2,9 |
3,2 |
3,3 |
3,3 |
1200 |
15 |
3,7 |
2,9 |
3,2 |
3,1 |
|
8 |
62 |
5 |
1,0 |
1,9 |
2,8 |
3,0 |
1200 |
5 |
2,2 |
2,2 |
2,9 |
3,2 |
1200 |
5 |
1,9 |
2,0 |
2,7 |
2,7 |
|
9 |
62 |
10 |
1,6 |
2,6 |
3,0 |
3,1 |
1200 |
10 |
2,7 |
2,7 |
3,1 |
3,2 |
1200 |
10 |
2,9 |
2,5 |
2,9 |
3,0 |
|
Плоды шиповника |
||||||||||||||||||
|
1 |
186 |
15 |
3,7 |
3,8 |
3,8 |
3,7 |
1600 |
15 |
4,2 |
3,8 |
3,8 |
3,6 |
1600 |
15 |
5,2 |
3,8 |
4,0 |
3,8 |
|
2 |
186 |
5 |
2,4 |
2,5 |
3,4 |
3,4 |
1600 |
5 |
2,8 |
2,5 |
3,4 |
3,4 |
1600 |
5 |
3,2 |
2,9 |
3,6 |
3,6 |
|
3 |
186 |
10 |
3,1 |
3,1 |
3,7 |
3,5 |
1600 |
10 |
3,7 |
3,1 |
3,6 |
3,5 |
1600 |
10 |
4,3 |
3,4 |
3,8 |
3,7 |
|
4 |
124 |
15 |
2,7 |
3,7 |
3,6 |
3,6 |
1400 |
15 |
3,9 |
3,7 |
3,5 |
3,5 |
1400 |
15 |
5,1 |
3,7 |
3,5 |
3,6 |
|
5 |
124 |
5 |
1,9 |
2,3 |
3,4 |
3,4 |
1400 |
5 |
2,9 |
2,3 |
3,4 |
3,4 |
1400 |
5 |
3,2 |
2,9 |
3,4 |
3,3 |
|
6 |
124 |
10 |
2,3 |
2,9 |
3,5 |
3,5 |
1400 |
10 |
3,5 |
2,9 |
3,2 |
3,5 |
1400 |
10 |
4,3 |
3,3 |
3,2 |
3,6 |
|
7 |
62 |
15 |
2,4 |
3,4 |
3,4 |
3,3 |
1200 |
15 |
3,1 |
3,4 |
3,3 |
3,5 |
1200 |
15 |
3,9 |
3,4 |
3,3 |
3,6 |
|
8 |
62 |
5 |
1,3 |
2,4 |
2,9 |
2,9 |
1200 |
5 |
2,2 |
2,4 |
2,9 |
3,3 |
1200 |
5 |
2,2 |
2,6 |
2,9 |
3,1 |
|
9 |
62 |
10 |
1,8 |
2,7 |
3,3 |
3,0 |
1200 |
10 |
2,8 |
2,7 |
3,3 |
3,3 |
1200 |
10 |
3,2 |
3,0 |
3,3 |
3,4 |
|
Корень копеечника |
||||||||||||||||||
|
1 |
186 |
15 |
3,9 |
3,7 |
4,0 |
3,8 |
1600 |
15 |
4,3 |
3,6 |
3,9 |
3,8 |
1600 |
15 |
4,4 |
3,7 |
3,8 |
3,8 |
|
2 |
186 |
5 |
2,4 |
2,8 |
3,4 |
3,4 |
1600 |
5 |
3 |
2,6 |
3,4 |
3,5 |
1600 |
5 |
3,1 |
2,8 |
3,5 |
3,5 |
|
3 |
186 |
10 |
3,2 |
3,4 |
3,8 |
3,7 |
1600 |
10 |
3,7 |
3,3 |
3,7 |
3,7 |
1600 |
10 |
3,9 |
3,4 |
3,7 |
3,7 |
|
4 |
124 |
15 |
2,7 |
3,6 |
3,7 |
3,6 |
1400 |
15 |
4,1 |
3,4 |
3,7 |
3,7 |
1400 |
15 |
4,4 |
3,7 |
3,8 |
3,7 |
|
5 |
124 |
5 |
1,8 |
2,6 |
3,4 |
3,3 |
1400 |
5 |
2,9 |
2,5 |
3,4 |
3,5 |
1400 |
5 |
2,9 |
2,7 |
3,4 |
3,5 |
|
6 |
124 |
10 |
2,3 |
3,2 |
3,6 |
3,5 |
1400 |
10 |
3,6 |
3 |
3,6 |
3,6 |
1400 |
10 |
3,7 |
3,3 |
3,6 |
3,6 |
|
7 |
62 |
15 |
2,5 |
3,4 |
3,5 |
3,3 |
1200 |
15 |
3,2 |
3,2 |
3,6 |
3,5 |
1200 |
15 |
3,8 |
3,6 |
3,6 |
3,7 |
|
8 |
62 |
5 |
1,2 |
2,7 |
3,0 |
3 |
1200 |
5 |
2,3 |
2,3 |
3,2 |
3,4 |
1200 |
5 |
2,0 |
2,6 |
3,3 |
3,3 |
|
9 |
62 |
10 |
1,9 |
3 |
3,3 |
3,2 |
1200 |
10 |
2,8 |
2,8 |
3,4 |
3,5 |
1200 |
10 |
3,1 |
3,3 |
3,4 |
3,4 |
По результатам проведенных экспериментов в экстракторе Сокслета видно, что оцениваемый показатель содержания сухих веществ в полученной настойке напрямую зависит от количества загружаемого сырья в аппарат и продолжительности процесса. По результатам экспериментов в роторно-пульсационном аппарате можно сделать вывод, что на отклик содержания сухих веществ экстракта из плодов шиповника, гриба чага и корня копеечника оказывает влияние число оборотов ротора n, чуть в меньшей степени оказывает влияние продолжительность экстрагирования τ. В каждом случае наилучшие результаты получаются при числе оборотов n от 1350 до 1500. На вкусоароматические показатели значительное влияние оказывает число оборотов ротора n и чуть в меньшей степени продолжительность экстрагирования τ [11].
При экстрагировании в центробежном экстракторе на зависимость содержания сухих веществ в экстракте из плодов шиповника, гриба чага и корня копеечника оказывает влияние число оборотов ротора n. В меньшей степени продолжительность экстрагирования τ. Высокие показатели по выходу сухих веществ из сырья достигаются за счет того, что РПА обладает дезинтегрирующими свойствами. Сырье любой структуры подвергается гидромеханической обработке, что в результате приводит к повышенному выходу сухих веществ.
Выводы. Проведенное исследование позволяет оценить эффективность рассмотренных конструкций экстракторов в системе «твердое тело – жидкость». В зависимости от структуры растительного сырья меняется и тип аппарата.
Экстрактор Сокслета показывает высокую эффективность проведения процесса экстрагирования на сырье с большими порами в структуре. Пары спирта проникают глубоко внутрь материала и извлекают компоненты наиболее полно. Но длительность процесса при этом повышается. Из самых главных плюсов данного аппарата выделяется значительно меньшее требуемое количество растворителя. Так как происходит его постоянная циркуляция во всем объеме аппарата.
Центробежный экстрактор и роторно-пульсационный аппарат показывают большую эффективность, так как оказывают гидромеханическое воздействие на любое сырье.
Самым универсальным аппаратом является роторно-пульсационный аппарат, так как во время его работы происходит измельчение сырья до размеров 0,01 мм. Вследствие чего растительное сырье наиболее полно отдает целевые компоненты с небольшими затратами времени.
Дегустационная оценка образцов полученных настоек показала хорошие результаты, все образцы получили высокие баллы по вкусу, цвету и аромату независимо от конструкции экстрактора. Следовательно, рассмотренные аппараты могут широко применяться для производства настоек из растительного сырья. Но отдельно необходимо проводить подбор конструкций в зависимости от внутренней структуры обрабатываемого сырья. Правильный подбор производственного оборудования впоследствии позволит снизить себестоимость и затраты на продукцию, тем самым повысив эффективность всего производства в целом.
