004.12 исследование физико-химических свойств водных и в

ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ. 2002. №2. С. 111–116.
УДК: [634.741:641.524.6].004.12
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ
И ВОДНО-СПИРТОВЫХ ЭКСТРАКТОВ ИРГИ И ШИПОВНИКА

А.Ф. Сорокопуд*, П.П. Иванов
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности,
бульвар Строителей, 47, Кемерово, 650056 (Россия)
е-mail: [email protected]
Представлены результаты исследования физико-химических свойств водных и водно-спиртовых экстрактов ирги и
шиповника. Получены регрессионные уравнения, характеризующие изменение относительной плотности,
поверхностного натяжения и динамической вязкости экстрактов в зависимости от температуры, концентрации сухих
водорастворимых веществ и спирта. Дан анализ полученных данных в зависимости от изменения параметров.
Введение
Наиболее эффективным и экономически целесообразным путем улучшения обеспеченности населения
витаминами и минеральными веществами является дополнительное обогащение ими продуктов питания
массового потребления до уровня, соответствующего физиологическим потребностям человека.
В качестве таких наполнителей отечественная, да и зарубежная промышленность традиционно
использует концентрированные экстракты и вытяжки из плодово-ягодного и растительного сырья [1, 2].
Причем немаловажную роль в данном случае играет возможность использования сырья, произрастающего
и культивируемого в непосредственной близости от мест его переработки. Это позволяет заметно
сократить затраты на транспортировку и хранение сырья, расширить номенклатуру выпускаемых
продуктов питания за счет использования нетрадиционных и скоропортящихся видов плодов и ягод.
Кроме того, использование экстрактов в качестве витаминно-минеральных добавок позволяет
регулировать химический состав продуктов и приводить его в соответствие с современными требованиями
науки о питании, и тем самым создавать конкуренцию продуктам питания, в состав которых входят
химически синтезированные пищевые красители и ароматизаторы.
Употребление плодов и ягод местного растительного сырья в пищу наиболее приемлемо в течение года
главным образом в виде соков, а при производстве комбинированных и обогащенных продуктов питания
чаще используются экстракты [1–3, 9]. Однако проблемы создания и совершенствования технологии,
расчета и аппаратурного оформления процессов переработки плодово-ягодного сырья не могут быть
успешно решены без решения проблем пищевой информатики, связанных с определением физикохимических, структурно-механических, теплофизических и других свойств сырья, полуфабрикатов и
готовой продукции. При этом необходимо создание информационно-поисковых систем либо банка данных
по этим свойствам. Отсутствие таких данных до настоящего времени объясняется известным
консерватизмом в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса. Таким образом, создание
*
Автор, с которым следует вести переписку.
112
А.Ф. СОРОКОПУД, П.П. ИВАНОВ
и развитие информационной базы по свойствам нетрадиционных видов растительного сырья является
актуальной задачей в условиях конкуренции различных продуктов питания на потребительском рынке.
Особую значимость приобретают данные по теплофизическим и физико-химическим свойствам,
поскольку они характеризуют параметры продукта вблизи точек фазовых переходов и в значительной мере
предопределяют габаритные размеры создаваемого технологического оборудования [1, 9, 10]. Это в
первую очередь относится к тепло-массообменной аппаратуре, поскольку получение качественных
экстрактов существенно зависит от условий экстракции, упаривания, термообработки и т.п.
В качестве объектов исследования взяты водные и водно-спиртовые экстракты из свежезамороженных
плодов ирги и сушеных плодов шиповника (собраны в Кемеровском ГСП «Плодопитомник» в 2000 г.).
Выбор объектов исследования обусловлен тем, что они представляют собой широко распространенные
виды плодово-ягодного сырья Сибири, различающиеся как по структуре плода, так и по номенклатуре
экстрактивных веществ, прежде всего представленных полифенольными веществами (флаваноиды,
катехины, антоцианы и др.), редуцирующими сахарами и витаминами групп С, Р и А [4, 5]. Следует
отметить, что большинство перечисленных химических соединений являются водо- или
спирторастворимыми. В связи с этим в качестве экстрагента были взяты водно-спиртовые растворы с
различной концентрацией спирта.
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию физико-химических характеристик
водных и водно-спиртовых экстрактов ирги и шиповника, полученных методом настаивания, а именно:
относительной плотности, динамической вязкости и поверхностного натяжения в зависимости от
температуры – t, концентрации сухих водо-растворимых веществ – Ссв и концентрации спирта – Ссп.
Экспериментальная часть
Для определения физико-химических характеристик применялись методы, получившие наибольшее
распространение в экспериментальных исследованиях [1, 6]. Так, относительная плотность экстрактов
определялась пикнометрическим методом. Измерения коэффициента динамической вязкости проводились
стеклянными капиллярными вискозиметрами типа ВПЖ-3 с капиллярами различных диаметров.
Коэффициент поверхностного натяжения определяли методом Ребиндера [6]. Оценка погрешности
измерения по этим методикам показала, что при постановке пяти параллельных экспериментов
максимально возможная погрешность измерения составила для относительной плотности ±0,097%, для
динамической вязкости, учитывая погрешность измерения относительной плотности, ±4,6%, для
поверхностного натяжения – ±1,6%.
Экстракты готовили методом настаивания с использованием водно-спиртового растворителя (с
содержанием спирта 40%об). Затем экстракт упаривали под вакуумом при температуре 50°С. Необходимая
концентрация исследуемых растворов (экстрактов) достигалась путем разведения концентрата водой и
спиртом.
Диапазон изменения параметров (t = 20÷50°С; Ссв= 3÷32% масс., Ссп= 0÷35% масс.) был выбран из
анализа условий переработки экстрактов (экстрагирование, концентрирование, термообработка и др.) с
учетом следующего. Поскольку плоды шиповника и ягоды ирги содержат витамины и биологически
активные вещества, многие из которых являются термолабильными, верхний предел их температурной
обработки ограничивается 50°С. Традиционный способ извлечения сухих водорастворимых веществ из
плодов и ягод настаиванием предполагает использование водно-спиртового раствора с содержанием
спирта 40%об [3]. Принятый нами верхний предел (Ссп= 35%об) незначительно отличается от
рекомендуемого. Кроме того, наличие влаги даже в сухих плодах ведет к снижению концентрации спирта в
готовом экстракте. В Сибирском регионе сбор плодов шиповника и ягод ирги не характеризуется
большими объемами, поэтому их экстракты могут быть полностью использованы местной пищевой
промышленностью. Учитывая это обстоятельство, можно заключить, что нет необходимости в высоком
концентрировании экстрактов (до Ссв = 50÷70%масс согласно ГОСТу 18078-72). Кроме того, применение
высококонцентрированных экстрактов в пищевой промышленности предполагает их разбавление перед
внесением в продукт, с целью обеспечения точности дозирования и равномерного распределения по всему
объему. Деалкоголизация и упаривание экстрактов из местного плодово-ягодного сырья в роторном
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ …
113
распылительном испарителе показали возможность достижения концентрации сухих водорастворимых
веществ порядка 30%масс [11] с меньшими энергозатратами по сравнению с известными испарителями.
При определении функциональной зависимости между тремя независимыми переменными (Ссв, Ссп, t) и
откликом – физико-химическими свойствами, использовали множественный регрессионный анализ [7, 8].
Для определения влияния обозначенных факторов на физико-химические свойства экстрактов
поставлен полнофакторный эксперимент 23. Для нахождения более точной картины распределения
исследуемых параметров и расширения области эксперимента, кроме восьми, были проведены
дополнительные эксперименты в количестве 60, с интервалом варьирования ∆t = 10°С; ∆Ссв= 6–8%масс.;
∆Ссп= 7%масс.
Полученные опытные данные были обработаны на ЭВМ в среде статистического пакета «STATISTICA5.0» и «EXCEL», в результате получены статистические модели, описывающие физико-химические
свойства экстрактов.
Для относительной плотности (кг/м3) экстрактов ирги и шиповника уравнения множественной
регрессии имеют вид (соответственно):
ρирга = 1019,043 + 4,06⋅Ссв – 1,753⋅Ссп – 0,707⋅t,
ρш = 1018,593 + 4,172⋅Ссв – 1,725⋅Ссп – 0,821⋅t,
R = 99,5%,
(1)
R = 99%,
(2)
где R – величина коэффициента множественной корреляции, показывающего силу связи модели с
экспериментальными данными [8].
Практическая апробация показала, что относительная ошибка между экспериментальными значениями
и рассчитанными по уравнениям (1, 2) не превышает 1,5%.
Для поверхностного натяжения (Н/м2) уравнения регрессии имеют вид:
σирга = (69,837 – 0,209⋅Ссв – 0,667⋅Ссп – 0,178⋅t) ⋅10–3, R=96%,
(3)
σш = (66,204 – 0,208⋅Ссв – 0,598⋅Ссп – 0,156⋅t) ⋅10–3, R=97%.
(4)
Сравнение экспериментальных и рассчитанных по уравнениям (3) и (4) данных показало, что в 5%-ный
уровень относительной ошибки вошли (соответственно) 64 и 76% полученных результатов, у остальных
данных уровень относительной ошибки не превысил 10%.
Влияние изучаемых параметров на динамическую вязкость (Па. с) достаточно сложное, что и привело к
следующим приемам при получении уравнений регрессии.
Для водных экстрактов:
(0,143 ⋅ CCB )3 + 15, 222
) ⋅ 10 −3 , R=93%,
t
(5)
(0,136 ⋅ CCB )3 + 14,377
) ⋅ 10 −3 , R=94%.
t
(6)
µ ирга = (0,576 +
µ ш = (0,632 +
Для водно-спиртовых экстрактов:
µ ирга = (0, 255 +
(0,162 ⋅ CCB + 0,059 ⋅ ССП )3 + 33, 434
) ⋅ 10 −3 ,
t
R=92%,
(7)
114
А.Ф. СОРОКОПУД, П.П. ИВАНОВ
µ ш = (0,144 +
(0,138 ⋅ CCB + 0,051 ⋅ ССП )3 + 42, 243
) ⋅ 10 −3 , R=93%.
t
(8)
В этом случае уровень максимальной относительной ошибки не превысил 15% по ирге и 20% по
шиповнику, при этом у 75% данных относительная ошибка не превысила 10%.
Обсуждение результатов
Для графического анализа физико-химических свойств экстрактов рассмотрим частные зависимости,
представленные в виде поверхностей отклика (рис. 1–6), полученных в результате статистического анализа
в пакете «STATISTICA-5.0».
Из анализа коэффициентов уравнений регрессии видно, что наибольшее влияние на значение плотности
оказывает концентрация сухих веществ в экстракте, при повышении которой происходит заметное
увеличение выходной величины (о чем свидетельствует знак «+» при коэффициенте), однако два других
параметра, температура и концентрация спирта оказывают противоположное влияние, что особенно
заметно при их высоких значениях. Эти выводы подтверждаются и графической иллюстрацией на
рисунках 1 и 2.
На рисунках 3 и 4 приведены результаты математической обработки опытных данных по исследованию
поверхностного натяжения экстрактов, которые показывают, что с увеличением всех трех исследуемых
факторов происходит снижение выходной величины, что и подтверждается уравнениями регрессии.
Рис. 1. Зависимость изменения относительной
плотности экстракта ирги от концентрации спирта
и сухих водорастворимых веществ (t = 30°C)
Рис. 2. Зависимость изменения относительной
плотности экстракта шиповника от концентрации
спирта и температуры (Ссв = 16%масс)
Рис. 3. Зависимость изменения поверхностного
натяжения экстракта ирги от концентрации спирта
и температуры (Ссв = 20%масс)
Рис. 4. Зависимость изменения поверхностного
натяжения экстракта шиповника от концентрации
спирта и сухих веществ (t = 30°C)
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ …
Рис. 5. Зависимость изменения динамической
вязкости экстракта ирги от концентрации спирта и
температуры (Ссп = 14%об)
115
Рис. 6. Зависимость изменения динамической
вязкости экстракта шиповника от концентрации
спирта и сухих веществ (t = 30°C)
Вязкость экстрактов обусловлена межмолекулярным взаимодействием всех составляющих экстракта и
в первую очередь таких, как пектин, сахара, органические кислоты, фенольные соединения и др. Общее
количество этих веществ в исследуемом экстракте прежде всего определяется содержанием сухих веществ,
а форма межмолекулярной связи – не только химическим составом экстракта, но также и концентрацией
спирта в нем. При этом было выявлено, что каждый из изучаемых факторов вносит особое влияние на
выходную величину. Так, в ходе статистической обработки опытных данных установлено, что температура
вносит гиперболическую составляющую, а концентрация сухих веществ и спирта наиболее точно
описывается зависимостью вида (ax1 + bx2)3. Это можно объяснить тем, что в экстракте при сочетании
определенных условий происходят физико-химические процессы, в результате которых образуются
межмолекулярные связи, способные повысить значение динамической вязкости, а при их разрушении
происходит понижение значения исследуемой величины (рис. 5 и 6).
Кроме того, сравнительный анализ экспериментальных данных и полученных уравнений регрессии с
результатами более ранних работ [1, 9–11] подтвердил предположение о степени влияния каждого из
изучаемых факторов на физико-химические свойства водно-спиртовых экстрактов плодово-ягодного сырья
близкой природы: черноплодной и красной рябины, черной и красной смородины.
Выводы
Получены расчетно-статистические уравнения, описывающие физико-химические свойства водных и
водноспиртовых экстрактов ирги и шиповника в зависимости от температуры и содержания в них сухих
водорастворимых веществ и спирта.
Результаты исследований могут быть использованы в расчетной практике при подготовке технической
документации и аппаратурного оформления линий по производству концентрированных плодово-ягодных
экстрактов.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
Мустафина А.С. Разработка технологии плодово-ягодных экстрактов с целью их использования в производстве
молочных продуктов: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Кемерово, 1999. 18 с.
Домарецкий В.А. Производство концентратов, экстрактов и безалкогольных напитков: Справочник, Киев, 1990.
250 с.
Бурачевский И.И., Скрипников К.И. Современные способы получения полуфабрикатов ликероводочного
производства. М., 1981. 136 с.
Растительные ресурсы СССР: Цветковые растения, их химический состав, использование. Л., 1987. 326 с.
Петрова В.П. Дикорастущие плоды и ягоды. М., 1987. 48 с.
116
А.Ф. СОРОКОПУД, П.П. ИВАНОВ
6.
7.
8.
9.
Горбачев С.В. Практикум по физической и коллоидной химии. М., 1974. 234 с.
Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере. М., 1998. 528 с.
Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М., 1985. 319 с.
Сорокопуд А.Ф., Мустафина А.С. Исследование физико-химических свойств экстрактов черноплодной рябины //
Пиво и напитки. 1997. №3. С. 34–35.
10. Сорокопуд А.Ф., Мустафина А.С., Третьякова Н.Г. Физико-химические свойства экстрактов красной смородины и
красной рябины // Хранение и переработка сельхозсырья. 2000. №12. С. 62–64.
11. Сорокопуд А.Ф. Разработка и совершенствование роторных распылительных аппаратов с целью интенсификации
процессов в гетерогенных газожидкостных системах: Дис. … докт. техн. наук. Кемерово, 1998. 529 с.
Поступило в редакцию 29 ноября 2001 г.
После переработки 22 января 2002 г.