Экстракция растительного сырья
Экстракция растительного сырья – это извлечение белков, жиров, углеводов и других ценных компонентов (биологически активные вещества, ароматизаторы, красители и т.д.) из всех или отдельных морфологических частей растений с помощью сил давления или растворителя.
Экстракция широко используются в пищевой промышленности для производства соков, вина, сахара и растительного масла. Этот метод также часто применяется при извлечения различных целевых соединений, таких как красители, антиоксиданты, эфирные масла и ароматизаторы, из растительного сырья. Экстракция горячей водой и органическими растворителями — давно зарекомендовавшие себя процессы, обладающие превосходной эффективностью при применении в оптимальных условиях. Эти виды экстракции можно проводить одновременно, но чаще они дополняют друг друга и технологически сочетаются (например, экстракция сахара горячей водой из сахарной свеклы сочетается с последующим прессованием мезги; прессование семян масличных культур сочетается с последующей экстракцией масла растворителем из жмыха; прессование яблок или винограда можно сочетать с последующей экстракцией биологически активных веществ (БАВ) из мезги растворителем). Выход экстрагированных соединений может быть очень высоким в оптимальных условиях. К сожалению, качество растворов и экстрагированных продуктов (например, чистота, мутность, цвет, вкус текстура и питательные вещества) может ухудшиться в ходе обработки сырья, необходимой для увеличения выхода (измельчение, нагревание, добавление химикатов/ферментов). Кроме того, значительное количество отходов часто образуется при очистке экстракционных растворов, когда происходят нежелательные потери растворителей и других добавок.
Метод экстракции
В последние десятилетия наблюдается растущий интерес к альтернативным пищевым технологиям, позволяющим нетермическое или мягкое термическое сохранение пищевых продуктов. Несколько новых технологий являются заметными и представляют большой интерес для пищевой промышленности, в частности, импульсные электрические поля, мощный ультразвук, микроволны, импульсный свет, омический нагрев, облучение, радиочастотный нагрев, обработка высоким давлением, электрические разряды высокого напряжения, вакуумно-импульсная экстракция.
Эти виды обработки эффективны для улучшения экстракции растворенных веществ (скорость и полнота извлечения). Например, активное использование ведущими производителями экстрактов технологии вакуумно-импульсной экстракции уже привело к замене процессов экстракции горячей водой или органическими растворителями на холодную или мягкую термическую экстракцию, водную экстракцию или водно-этанольную экстракцию. Более того, альтернативные физические методы оказались менее инвазивными методами обработки растительной пищи, что позволяет избежать многих нежелательных изменений в продуктах, пигментах, витаминах и ароматизаторах, типичных для других методов экстракции, включая термические, химические и ферментативные методы. Все эти новые технологии остаются в значительной степени на исследовательской арене, в то время как другие находятся на грани коммерциализации или в активной фазе применения (например, вакуумно-импульсная экстракция).
Вакуумно-импульсная экстракция
Вакуумно-импульсная экстракция – это передовая технология быстрой и полной жидкостной экстракции, применяемая российскими переработчиками лекарственного сырья и ягод для получения пищевых, косметических и фармацевтических экстрактов.
Вакуумно-импульсная экстракция обычно применяется в процессах водно-спиртового извлечения сухих веществ, в том числе биологически активных, ароматических и красящих веществ, из листьев, цветков, коры, корней, корневищ, луковиц, клубней, клубнелуковиц, плодов, семян, почек лекарственных растений.
Движущей силой вакуумно-импульсного процесса экстракции является резкое изменение давления (импульс) в условиях глубокого вакуума в экстракторе, в котором находится экстрагируемое сырье, погруженное в растворитель.
В настоящее время вакуумно-импульсная экстракции является самой популярной технологией производства густых и сухих экстрактов на предприятиях Алтайского края и Кемеровской области.
Импульсная экстракция с помощью электрического поля
Обработка импульсным электрическим полем — это метод, при котором сырье помещают между двумя электродами в камеру периодической или непрерывной обработки и подвергают воздействию импульсного напряжения (обычно 15–80 кВ/см с несколькими импульсами по 1–5 мс для уничтожения микроорганизмов и 0,1-5 кВ/см с импульсами 50-1000 мс для электропорации растительных клеток и нетермической экстракции из твердых пищевых продуктов). Для генерации таких коротких импульсов используются различные схемы формирования импульсов, основными компонентами которых являются источник питания на выбранном напряжении, одна или несколько конденсаторных батарей, катушки индуктивности и/или резисторы
Экстракция с омическим нагревом
Обработка омическим нагревом представляет собой метод, при котором сырье помещают между двумя электродами в камеру периодической или непрерывной обработки и подвергают воздействию постоянного, переменного или импульсного напряжения (обычно 20–80 В см-1) для нагревания пищевого продукта и убивают любые микроорганизмы. Генераторы омического нагрева, в которых используются электрические поля переменного тока и высокой частоты, позволяют уменьшить электролиз и загрязнение продукта по сравнению с конструкциями постоянного тока.
Основным принципом ОН является рассеивание электрической энергии в виде тепла, что приводит к генерации внутренней энергии.
Обработка OH в настоящее время коммерциализирована для пастеризации и стерилизации пищевых продуктов.
Экстракция с помощью высоковольтных электрических разрядов
Экстракция с помощью высоковольтных электрических разрядов - это метод, при котором твердые частицы помещаются в диэлектрическую жидкость (обычно водопроводную воду) внутри камеры, содержащей высоковольтный игольчатый электрод и заземленный электрод с покрытием, и подвергаются воздействию импульсных ударных волн (обычно 40-60 кВ/см, 2-5 мс) для пробоя жидкости и фрагментации частиц.
Механизмы этого метода очень сложны и еще недостаточно изучены. Явление основано на электрическом пробое воды. В этом явлении участвуют и ускоряют пузырьки воздуха, которые уже присутствуют в воде или образовались в результате локального нагрева.
Эту технологию пробовали использовать для ускорения экстракции растворенных веществ из соевых бобов, картофеля, листьев чая, торфа и укропа, а также из других пищевых материалов.
Применение технологии теоретически может улучшить водную экстракцию масла из семян масличных культур, виноградных выжимок. В настоящее время технология не является коммерчески используемой и находится на этапе изучения.
Ультразвуковая экстракция в пищевой промышленности
В настоящее время хорошо известно, что мощный ультразвук с частотами от 20 кГц до 1 МГц оказывает существенное влияние на скорость различных физических и химических процессов. Очистка и растворение являются его более развитыми приложениями, и существует большое количество ультразвуковых ванн для использования в химических лабораториях. Воздействие ультразвуковых волн на твердые образцы иногда используется для извлечения ароматов из растительного сырья или металлических примесей из почв. Дегазация и отгонка широко используются для анализа вкуса, а также в исследованиях окружающей среды и полимеров. Другие интересные применения ультразвука включают гомогенизацию, эмульгирование, просеивание, фильтрацию и кристаллизацию.
Наиболее интересным эффектом операционных блоков на основе ультразвука является сокращение времени обработки и повышение качества продукции. Все эти эффекты объясняются акустической кавитацией: при облучении жидкости ультразвуком образуются микропузырьки, которые чрезвычайно быстро растут и колеблются и в конечном итоге мощно схлопываются (если акустическое давление достаточно велико). Когда размер этих пузырьков достигает критической точки, они схлопываются во время цикла сжатия и высвобождают большое количество энергии. Температура и давление в момент коллапса оцениваются в 5000 К и 5000 атмосфер. Это создает горячие точки, способные резко ускорить химическую реакцию в среде. Ультразвуковая экстракция оправдывает себя при использовании в лабораторных масштабах, когда объем экстракционного сосуда немногим больше объема рабочего органа УЗ-излучателя.
Промышленный процесс ультразвуковой экстракции малопроизводительный, энергозатратный и потому имеет сомнительную эффективность. Также ультразвуковые экстракты должны тщательно изучаться на безопасность, так как этот метод экстракции является агрессивным и может приводить к образованию вредных соединений.
Экстракция с помощью микроволн
Микроволны — это электромагнитные волны с частотным диапазоном от 100 МГц до 3 ГГц, которые содержат компоненты электрического и магнитного поля и, таким образом, представляют собой распространяющуюся электромагнитную энергию. Эта энергия действует как неионизирующее излучение, которое вызывает молекулярное движение ионов и вращение диполей, но не влияет на молекулярную структуру. Когда диэлектрические материалы, содержащие либо постоянные, либо индуцированные диполи, помещаются в поле СВЧ, вращение диполей в переменном поле производит тепло. Точнее, приложенное поле СВЧ заставляет молекулы в среднем тратить немного больше времени, ориентируясь в направлении электрического поля, а не в других направлениях. Когда электрическое поле снимается, тепловое возбуждение возвращает молекулы в неупорядоченное состояние за время релаксации, и выделяется тепловая энергия. Таким образом, СВЧ нагрев возникает в результате рассеяния электромагнитных волн в облучаемой среде. Величина рассеиваемой в среде мощности зависит от комплексной диэлектрической проницаемости материала и локальной усредненной по времени напряженности электрического поля.
При обычном нагреве тепло передается от нагревающей среды внутрь образца, тогда как при СВЧ-нагреве тепло рассеивается объемно внутри облучаемой среды, и, таким образом, происходит передача тепла от образца к более холодной среде. Это вызывает существенную разницу между обычным и микроволновым нагревом. При обычном нагреве теплопередача зависит от теплопроводности, от разницы температур в образце. В результате повышение температуры часто происходит довольно медленно. Напротив, эффект объемного нагрева при СВЧ-нагреве позволяет получить гораздо более быстрое повышение температуры в зависимости от мощности СВЧ и коэффициента диэлектрических потерь облучаемого материала.
В настоящее время возможно использование широкого спектра сосудов и приборов при работе с микроволнами в зависимости от целевого назначения и извлекаемых аналитов. Существуют микроволновые реакторы, разработанные специально для экстракции растворителем в лаборатории (от 0,1 до 1 л). В промышленных масштабах экстракция с микроволновым нагревом не получила широкого распространения.