синергетический механизм разрушения клеточной структуры

УДК 664.143
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ
КЛЕТОЧНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ЭКСТРАКЦИИ
И ПРЕИМУЩЕСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ
А.А.Петросян, К.В.Костанян
Государственный аграрный университет Армении
Ключевые слова: экстракция, клеточная структура, синергетический механизм,
ультразвуковая обработка, биологически активные вещества.
Э
кстракционные технологии широко используются в пищевой промышленности при
производстве растительных красителей, биологически активных добавок и
ароматизаторов. Традиционные методы выделения целевых компонентов растительного
сырья путем настаивания его в экстрагенте, настаивания с перемешиванием, выщелачивания,
противоточного экстрагирования, в том числе с промежуточным отжимом, недостаточно
производительны из-за высокого диффузионного сопротивления неповрежденных клеточных
оболочек биологического сырья, что подтверждается данными ряда исследователей [5].
Наибольший эффект интенсификации может быть достигнут только при разрушении клеточных
оболочек биологического сырья, поскольку в этом случае резко падает его диффузионное
сопротивление и многократно возрастает поверхность контакта фаз. В настоящее время при
интенсификации экстрагирования биологического сырья для разрушения клеточных оболочек
применяются два метода – ультразвуковая и микроволновая обработка сырья. Использование
этих методов позволяет значительно повысить производительность процесса [4].
В наиболее очевидном варианте дальнейшая интенсификация экстрагирования может
быть достигнута при сочетании двух названных воздействий – ультразвуковой и микроволновой
обработки экстракционной смеси. Это обосновано тем, что переменные нагрузки на клеточные
оболочки, вызываемые ультразвуковыми колебаниями, приводят к накоплению в них
усталостных напряжений, снижающих статическую прочность. В то же время статическое
внутреннее давление, а также нагрев биологического сырья, возникающие при микроволновой
обработке, создают напряженное состояние клеточных оболочек и вызывают ряд
биохимических изменений, приводящих к повышению хрупкости клеточных оболочек и
снижению их динамической прочности. В итоге ультразвуковая и микроволновая обработка
взаимно ускоряют процесс разрушения клеточной структуры биологического сырья, оказывая
на него синергетическое воздействие.
Вследствие внешнего нагрева ускоряется массообмен, в клетке повышается также
внутреннее давление, и происходят биохимические изменения, а ультразвук, как известно,
интенсифицирует теплообменные процессы, ускоряя прогрев клеточного содержимого
биологического сырья.
Анализируя изложенное, логично предположить, что синергетическое действие на
ускорение процесса экстрагирования будут оказывать нагрев экстрагента и ультразвуковая
обработка экстракционной смеси. Однако ультразвуковой метод СО2-экстрагирования
позволяет получить СО2-экстракты с более полной гаммой извлеченных биологически активных
веществ, высоким процентным содержанием каротиноидов и ненасыщенных жирных кислот.
В настоящее время исследован и внедрен в производство усовершенствованный метод
СО2-экстрагирования растительного сырья с применением экстракционной установки с
системой регенерации диоксида углерода и ультразвуковой обработки сырья со средней
производительностью одной установки 50 кг сырья в час. При давлении 6,0 МПа, температуре
o
22 C, частоте ультразвука 22 кГц в растительной клетке происходят структурные изменения,
приводящие к нарушению целостности наружных мембран и ускорению перехода
экстрактивных веществ в мисцеллу [5].
Полученные нами данные приведены в таблице, где более полно отражены преимущества
ультразвуковой обработки, в частности совмещенного процесса до- и сверхкритической СО2экстракции, в результате чего получаются купажированные СО2-экстракты.
Экстракционные
технологии широко
используются в
пищевой
промышленности при
производстве
растительных
красителей,
биологически активных
добавок и
ароматизаторов
155
Химический состав СО2-экстрактов лимонника китайского, облепихи,
хвои пихты сибирской и шиповника яблочного
СО 2-экстракт
Сумма
каротиноидов,
мг%
Жирное масло,
мг%
Токоферолы,
мг%
Ненасыщенные
жирные кислоты,
мг%
ДКЭ
СКЭ
КЭ
ДКЭ
СКЭ
КЭ
ДКЭ
СКЭ
КЭ
Д КЭ
СКЭ
КЭ
Лимонник китайский
53
64
117
6
11
17
4
3
7
5,0
4,0
9,0
Облепиха
189
271
460
8
17
25
6
4
10
5,6
4,1
9,7
Хвоя пихты сибирской
51
54
105
0,8
1,2
2
2,5
2
4,5
0,45
0,27
0,72
Шиповник яблочный
334
366
700
4
8
12
0,6
0,4
1
3
2,5
5,5
Примечание: ДКЭ – докритический СО2-экстракт; СКЭ – сверхкритический СО2-экстракт;
КЭ – купажированный СО2-экстракт.
Наибольший эффект
интенсификации
может быть
достигнут только
при разрушении
клеточных оболочек
биологического
сырья, поскольку в
этом случае резко
падает его
диффузионное
сопротивление и
многократно
возрастает
поверхность
контакта фаз
Данные таблицы показывают, что выход экстрактивных веществ ультразвуковым способом
в 1,5 раза превышает традиционный способ извлечения. Полученные купажированные СО2экстракты содержат такие ценные биологически активные вещества, как каротиноиды,
токоферолы и.т.д.
Интенсификация процесса извлечения ценных компонентов из растительного сырья
происходит за счет перехода жидкого диоксида углерода в газообразное состояние и
увеличения скорости процесса экстракции. Продолжительность его колеблется от 90 до 120 мин
в зависимости от характеристик сырья.
Нами разработаны также новые способы производства пищевых продуктов с применением
полученных СО2-экстрактов, например, технология производства жевательных резинок
различного назначения [3]. Разработанные технологии имеют патентную защиту на территории
Армении [1,2].
ЛИТЕРАТУРА
1. ¶³μ½ÇÙ³ÉÛ³Ý ì.¶., ä»ïñáëÛ³Ý ².². §´áõÅÇã-ϳÝ˳ñ·»ÉÇã ³½¹»óáõÃÛ³Ý Ù³ëï³Ï , ÐÐ
²ñïáݳ·Çñ №2125 A2: - ºñ¨³Ý, 2008:
2. ¶³μ½ÇÙ³ÉÛ³Ý ì.¶., ä»ïñáëÛ³Ý ².². §´áõÅÇã-ϳÝ˳ñ·»ÉÇã ³½¹»óáõÃÛ³Ý Ù³ëï³Ï , ÐÐ
²ñïáݳ·Çñ №2126 A2: - ºñ¨³Ý, 2008:
3. Габзималян В.Г., Петросян А.А. Антикурительные жевательные резинки с CO2-экстрактами
растений. – Краснодар, 2007. ''Перспективные нано- и биотехнологии в производстве
продуктов функционального назначения''. Международная научно-практическая
конференция, 11-12 октября 2007 г. – С. 64.
4. Касьянов Г.И., Сарапкина О.В., Белоусова С.В. Нанобиотехнология переработки сырья. –
Краснодар: КубГТУ, КрасХИИРХ, 2006. – 151 с.
5. Стасьева О.Н., Латин Н.Н., Касьянов Г.И. СО2-экстракты Компании Караван – новый класс
натуральных пищевых добавок. – Краснодар: КНИИХП, 2005. – С. 11-130.
156
´ææ²ÚÆÜ Î²èàôòì²ÌøÆ ø²Úø²ÚØ²Ü êÆܺð¶ºîÆΠغʲÜƼØÀ
Èàô̲¼²îØ²Ü ¸ºäøàôØ ºì àôÈîð²Ò²ÚܲÚÆÜ ØÞ²ÎزÜ
²è²ìºÈàôÂÚàôÜܺðÀ
².².ä»ïñáëÛ³Ý, Î.ì.Îáëï³ÝÛ³Ý
г۳ëï³ÝÇ å»ï³Ï³Ý ³·ñ³ñ³ÛÇÝ Ñ³Ù³Éë³ñ³Ý
Èáõͳ½³ïÙ³Ý ï»ËÝáÉá·Ç³Ý»ñÁ ÑÇÙݳϳÝáõÙ ÏÇñ³éíáõÙ »Ý ëÝÝ¹Ç ³ñ¹Ûáõݳμ»ñáõÃÛ³Ý
Ù»ç՝ μáõë³Ï³Ý Ý»ñÏ»ñÇ, Ï»Ýë³μ³Ý³Ï³Ý ³ÏïÇí ѳí»ÉáõÙÝ»ñÇ, ѳٳμáõñ³í»ï ÝÛáõûñÇ
³ñï³¹ñáõÃÛ³Ý Ñ³Ù³ñ:
Ü»ñϳÛáõÙë μçç³ÛÇÝ Ã³Õ³ÝÃÝ»ñÇ ù³Ûù³ÛÙ³Ý Ñ³Ù³ñ ÏÇñ³éíáõÙ ¿ Éáõͳ½³ïí³Íù³ÛÇÝ
˳éÝáõñ¹Ç Ùß³ÏÙ³Ý »ñÏáõ Ù»Ãá¹՝ áõÉïñ³Ó³ÛݳÛÇÝ ¨ ÙÇÏñá³ÉÇù³ÛÇÝ: Üϳñ³·ñí³Í »Ý ÑáõÙùÇ
íñ³ áõÉïñ³Ó³ÛÝÇ ³½¹»óáõÃÛ³Ý Ù»Ë³ÝǽÙÁ, μ³ñ»Ýå³ëï é»ÅÇÙÝ»ñÁ, ÇÝãå»ë ݳ¨ Ýáñ
»Õ³Ý³Ïáí ëï³óíáÕ СО2-Éáõͳ½³ïí³ÍùÝ»ñÇ ùÇÙÇ³Ï³Ý Ï³½ÙÁ, Ù³ëݳíáñ³å»ë` ¹ñ³ÝóáõÙ
Ï»Ýë³μ³Ýáñ»Ý ³ÏïÇí μ³Õ³¹ñÇãÝ»ñÇ å³ñáõݳÏáõÃÛáõÝÁ:
âÝ³Û³Í Ýñ³Ý, áñ áõÉïñ³Ó³ÛݳÛÇÝ Ùß³ÏáõÙÝ áõÝÇ ëÇÝ»ñ·»ïÇÏ ³½¹»óáõÃÛáõÝ
Éáõͳ½³ïÙ³Ý ·áñÍÁÝóóÇ íñ³, ÙǨÝáõÛÝ Å³Ù³Ý³Ï ³ÛÝ áõÝÇ Çñ ³é³í»ÉáõÃÛáõÝÝ»ñÁ:
Вследствие внешнего
нагрева ускоряется
массообмен, в клетке
повышается также
внутреннее давление,
и происходят
биохимические
изменения, а
ультразвук, как
известно,
интенсифицирует
теплообменные
процессы, ускоряя
прогрев клеточного
содержимого
биологического сырья
SINERGETIC MECHANISM OF THE DESTRUCTION OF THE CELLULAR
STRUCTURE AT EXTRACTIONS АND ADVANTAGES OF ULTRASONIC
PROCESSING
A. Petrosyan, K. Kostanyan
State Agrarian University of Armenia
Technology of extraction is broadly used in food industry, at production of vegetable dyes,
biologically active additives and taste foods. At present for the destruction of cellular shell two methods
of processing extractive mixture are used: ultrasonic and microwave. The mechanism of ultrasound
influence on the raw material and beneficial regimes are described, chemical structure of CO2-extracts
obtained through the new method, particularly the content of biologically active components, are
portrayed as well. Although ultrasound processing has synergetic influence on extraction process, at
the same time it has its advantages.
157