Мельник В. М., Ружинська Л. І., Андрук М. М. Ультразвукова дезинтеграція рослинної сировини в технології отримання каротиноїдів // Міжнародний науковий журнал "Інтернаука". — 2017. — №18.
Технічні науки
УДК 615.356: 577.161: 612.015.061
Мельник Вікторія Миколаївна
доктор технічних наук, професор,
завідувач кафедри біотехніки та інженерії
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”
Мельник Виктория Николаевна
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой биотехники и инженерии
Национальный технический университет Украины
“Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского”
Mel’nick Victoria
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Head of the Department of Bioengineering and Biotechnics
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
Ружинська Людмила Іванівна
кандидат технічних наук, доцент,
доцент кафедри біотехніки та інженерії
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”
Ружинская Людмила Ивановна
кандидат технических наук, доцент,
доцент кафедры биотехники и инженерии
Национальный технический университет Украины
“Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского”
Ruzhinskaya Lyudmyla
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Associate Professor of Bioengineering and Biotechnics Department
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
Андрук Микола Миколайович
магістр
Національного технічного університету України
“Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”
Андрук Николай Николаевич
магистр
Национального технического университета Украины
“Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского”
Andruk Mykola
Master of the
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
УЛЬТРАЗВУКОВА ДЕЗИНТЕГРАЦІЯ РОСЛИННОЇ СИРОВИНИ В ТЕХНОЛОГІЇ ОТРИМАННЯ КАРОТИНОЇДІВ
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КАРОТИНОИДОВ
ULTRASONIC DISINFECTION OF PLANTED RAW MATERIAL IN THE PRODUCTION OF CAROTINOIDS TECHNOLOGY
Анотація. Наводяться результати напівнатурних випробувань вилучення БАР з рослинної сировини (моркви) за допомогою ультразвукових коливань на установці УЗП-6-1. Доведено, що використання ультразвуку значно прискорює ефективність вилучення БАР з рослинної сировини.
Ключові слова: ультразвуковий випромінювач, рослинна сировина, БАР, густина, суспензія, бета-каротин.
Аннотация. Приводятся результаты полунатурных испытаний извлечения БАВ из растительного сырья (моркови) с помощью ультразвуковых колебаний на установке УЗП-6-1. Доказано, что использование ультразвука значительно ускоряет эффективность извлечения БАВ из растительного сырья.
Ключевые слова: ультразвуковой излучатель, растительное сырье, БАР, плотность, суспензия, бета-каротин.
Summary. The results of half-level tests for the removal of biologically active substances from vegetable raw materials (carrots) are presented with the help of ultrasonic oscillations at the plant УЗП-6-1. It is proved that the use of ultrasound significantly accelerates the efficiency of extraction of biologically active substances from plant material.
Key words: ultrasound emitter, vegetative raw material, BAR, density, suspension, beta-carotene.
Вступ. Біологічно активні речовини (БАР) — (грец. bios — життя, що означає зв'язок із життєвими процесами і відповідає слову «біол.» + лат. activus — активний, тобто речовина, яка має біологічну активність) — це сполуки, які внаслідок своїх фізико-хімічних властивостей мають певну специфічну активність. Одним із найдавніших джерел отримання лікарських засобів являються рослини. На даний час з лікарської рослинної сировини (ЛРС) виготовляють різні фітопрепарати в основному за допомогою процесу екстракції біологічно активних речовин тим чи іншим екстрагентом й подальшим очищенням їх від супутніх речовин, якщо це новогаленові препарати, або отриманням сумарних витяжок БАР у вигляді настойок та екстрактів. Та сам процес екстракції БАР з рослинної сировини досить повільний, який може займати декілька діб настоювання. Отже, ця технологічна операція займає більшу частину часу в технології отримання будь-якого фітопрепарату з ЛРС, ніж інші операції. Тому інтенсифікація процесу екстракції – це одна з актуальних технологічних задач, яка потребує теоретичного та практичного вивчення. Одним із перспективних фізичних факторів, які можуть прискорити процес екстракції БАР з рослинної сировини, є ультразвук. Під дією ультразвукових хвиль у рідкому середовищі спостерігаються такі явища, які не притаманні іншим фізичним факторам або ж за інтенсивністю перевищують їх. Так, під впливом ультразвуку в рідині її частинки можуть переміщуватися десятки тисяч раз на секунду навколо частинок сировини, тим самим «струшуючи» поверхневу рідину з частинок твердої фази як під впливом перемінного потужного ультразвукового тиску, так і гідравлічних ударів у мить схлопування кавітаційних каверн. Ультразвукові хвилі чинять додаткову механічну деформацію частинок, що може призводити до більш швидкого просочування рослинної сировини екстрагентом та подальшої заміни екстрагента в частинках на новий з міжчастинкового простору. Слід відмітити ще одне явище, яке з’являється внаслідок поглинання ультразвуку - розігрівання суміші, що покращує умови екстракції, але вимагає відводити надлишок тепла з екстрактора в разі необхідності [1-3].
Об'єкт досліджень. Об'єктом дослідження слугує вплив ультразвукового променя на ефективність вилучення БАР з рослинної сировини.
Мета і задачі досліджень. Мета даної роботи полягає в дослідженні процесу вилучення БАР з рослинної сировини за допомогою ультразвукового стенду.
Для досягнення поставленої мети необхідно виконати такі задачі:
Аналіз літературних даних. Умовно, всі існуючі методи вилучення БАР з рослинної сировини можна розділити на дві групи:
За винятком, на більшості підприємств витяг БАР ведеться малоефективними, трудомісткими традиційними методами (мацерація, перколяція, виварювання, настоювання, відварювання і різні способи механічного віджиму) [4-5].
Мацерація і виварювання є найбільш застарілими методами. Мацерація – звичайне вимочування, при якому відбувається розпушення клітинних стінок рослинної сировини і розчинення екстрагованих речовин [6]. Тривалість процесу досягає двох тижнів. Одним з традиційних способів виготовлення екстрактів і настоїв є перколяція. При перколяції або просочуванні, розчинник проходить (просочується) через шар подрібненої сировини і «вимиває» цільові компоненти [7]. У перколяційні процеси можуть вноситися різні варіації. Часто користуються поєднанням процесів настоювання і перколяції.
У даний час процес екстрагування проціджуванням не відповідає завданням інтенсифікації виробництва і застосовується, як правило, для отримання одиничних настоянок.
Відомий вихровий метод екстракції (турбоекстрація), який поєднує інтенсивне перемішування і одночасно подрібнення сировини в середовищі екстракту за допомогою швидкообертаючих мішалок, які мають гострі лопаті. Недолік цього методу – переподрібнення сировини і, як наслідок, ускладнення процесу очищення.
Очевидно, що параметрами, які впливають на швидкість і ступінь вилучення, що піддаються регулюванню в потрібну сторону є: тип екстрагента, ступінь подрібнення, різниця концентрації, температура, тиск, тривалість отримання і гідродинамічні умови в апаратах і камерах [8]. Окремі з перерахованих факторів реалізуються в традиційних способах екстракції.
Для інтенсифікації процесів вилучення використовують вплив на сировину різних силових полів: електричних, ультразвукових, імпульсних, дискретно-імпульсних та ін. Проте, велика частина цих перспективних методів досі перебуває на стадії лабораторних або напівпромислових випробувань. Це прямо вказує на ряд невирішених теоретичних і практичних завдань. Чималу увагу в літературі приділяється екстракційного процесу під дією електричного струму [9]. Оскільки гомогенність рослинної сировини порушена клітинними мембранами, які поділяють внутрішньоклітинні і позаклітинні області, масообміні процеси в таких системах носять, очевидно, електрохімічний характер. Отже, вони повинні залежати від зовнішнього електричного впливу, і електричний струм, проходячи через оброблювану сировину, впливає на проникність мембран та руйнування клітин.
Це, в свою чергу, впливає на процеси масообміну між твердою і рідкої фазами. Дані явища лежать в основі таких процесів, як електроплазмоліз і електродіаліз, які використовують для інтенсифікації вилучення компонентів з рослинної сировини. Використання електроплазмоліза в поєднанні з механічним впливом (різання, пресування, перемішування і т.д.) найбільш ефективно при обробці мезги при виробництві соків, причому підвищується вихід соків і з важко пресованої сировини, наприклад, цукрового буряка.
До нетрадиційних методів обробки рослинної сировини відноситься електродіаліз – дифузія електролітів через пористу мембрану під дією електричного струму. У процесі електродіалізу досягається зміна іонного складу рідин, що знаходяться між мембранами, а змін агрегатного стану і фазових перетворень в системах не відбувається. Речовини, що входять в оброблювальну сировину, особливо термонестабільні білки, ферменти та ін., залишаються в первісному вигляді. Цей спосіб використовується при отриманні чистих препаратів в невеликих кількостях.
Вивчаючи процес електричних впливів на клітинному рівні, що дія струму може призводити як до збільшення проникної здатності мембран, так і до зворотного ефекту.
Традиційно вважається, що лімітуючою стадією екстрагування є внутрішньо- дифузійний (масообмінний) процес, рушійною силою якого є різниця концентрації в екстрагенті (розчиннику) і розчині речовин, що містяться в клітинних і міжклітинних структурах рослинної сировини.
Тому інтенсифікація процесів вилучення спрямована на прискорення масообміну в системі «рідина - тверда речовина». Перспективним, з точки зору підведення до системи енергії і перетворення її в кінетичну енергію, є метод обробки твердих тіл, які знаходяться в рідині під дією електричних розрядів.
Згодом з'явилися модифікації цього методу: електроімпульсний (наскрізний пробій твердого тіла); електрогідравлічний (вплив ударної хвилі, що супроводжує розряд в рідині); мембранний, що виключає вплив випромінювання на об'єкт від каналу розряду і електродинамічний (поєднання наскрізного пробою твердого тіла і ударної хвилі). Розряд в рідини викликає стрибкоподібне зростання температури каналу, утворення парогазової порожнини і її розширення з великою швидкістю, що призводить до утворення імпульсу тиску (гідроудар). При всій привабливості використання іскри в якості «робочого інструменту» ряд авторів відзначає негативні явища при тривалій обробці імпульсами напруги, які проявлялися в порушенні структури деяких БАР.
Перспективним «інструментом» в технології вилучення БАР з рослинної сировини є ультразвук [10]. Широке застосування ультразвукових методів обумовлено особливостями фізичного та хімічного впливу ультразвуку на речовину. До теперішнього часу створені різноманітні ультразвукові технології процесів розчинення, емульгування, отримання тонкодисперсних суспензій, просочення, акустичного сушіння, миття та очищення різноманітних виробів, засолу харчових продуктів, передпосівної обробки насіння, екстрагування речовин, зварювання термопластичних матеріалів, склеювання деталей, механічної розмірної обробки та ін [11].
Опис конструкції випробувального стенду, методика досліджень і аналіз результатів. У якості рослинної сировини було обрано сушену моркву з розміром часток від 10 до 20 мм (рис.1). У якості екстрагента використовували соняшникову олію. Густина олії ρо=872 кг/м3, маса олії m=43,6 гр. Використовували ультразвуковий випромінювач УЗП-6-1 з частотою ультразвукових хвиль 36 кГц, потужність установки 650 Вт (Рис. 2).
Рис. 1. Розмір сушеної моркви
У хімічний стакан об’ємом V= 150 мл заливали 50 мл олії, далі засипали сушену моркву 13 гр. Після чого залишали дану суспензію на столі настоюватися на певний час. Заміряли зміну густини суспензії ρс1.
Взяли знову хімічний стакан об’ємом V= 50 мл заливали 50 мл олії , далі засипали сушену моркву 13 гр. Після чого залишили дану суспензію під ультразвуковим випромінювачем (рис. 3). Заміряли зміну густини суспензії ρс2 .
Результати досліду занесені до таблиці 1.
Таблиця 1
Зміна густини суспензії під дією ультразвуку та без ультразвуку
|
t, хв |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
без ультразвуку ρс1, кг/м3 |
873 |
876 |
878 |
880 |
881 |
883 |
|
з ультразвуком ρс2, кг/м3 |
875 |
886 |
889 |
891 |
893 |
896 |
Рис. 2. Графік залежності густини від часу ρс1-без ультразвуку, ρс2- з ультразвуком
Рис. 3. Ультразвуковий випромінювач в дії
На фото зафіксовано, як змінився колір суспензії під дією ультразвуку (рис. 4, рис. 5).
Рис. 4. Суспензія після 5хв під ультразвуком
Рис. 5. Суспензія після 30хв під ультразвуком
Зафіксували колір суспензії без використання ультразвуку (рис. 6.).
Рис. 6. Суспензія після 30хв настоювання без використання ультразвуку
Висновки. Можна зробити висновок, що застосування ультразвукової технології значно прискорює ефективність вилучення БАР з рослинної сировини без негативного впливу на БАР, а значить застосування ультразвуку в технології отримання рідких витяжок з рослинної сировини за допомогою ультразвукової екстракції може скоротити час вилучення БАР з сировини до кількох годин у порівнянні зі звичайним настоюванням (мацерацією), яке може тривати добу.
Література
