СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕВОДСОДЕРЖАЩЕГО ЖЕЛИРУЮЩЕГО КОНЦЕНТРАТА Российский патент 1997 года по МПК A23L1/524 C08B37/06 

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано при производстве алкогольных и безалкогольных напитков, а также для изготовления пищевых добавок и желирующих агентов, например в кондитерском производстве.

В настоящее время в связи с индустриализацией рынка продуктов питания все большее значение приобретают проблемы промышленного производства, хранения и дозирования основных компонентов пищевого рациона человека и организации на этой основе системы сбалансированного и рационального питания.

Поэтому все большее внимание уделяется производству различных пищевых концентратов, получаемых из натурального растительного сырья, в особенности пекстинсодержащего.

Известно, что пектиновые вещества обладают комплексом уникальных свойств, таких как способность к удалению из организма токсинов, солей тяжелых металлов, радионуклидов, холестерина, пролонгированию и повышению эффективности действия ряда фармакологических препаратов. С другой стороны, применение пектиновых веществ позволяет улучшать потребительские и вкусовые качества продуктов питания. Их используют в качестве стабилизаторов фруктовых соков, эмульгаторов пищевых масс, при изготовлении мороженого, желе, мармеладов и т.д.

Извлечение из растительного сырья полезных веществ таких, как пектины, сахара, органические кислоты, витамины с сохранением их природной биологической активности и сейчас является сложной химико-технологической проблемой.

Традиционно экстракцию пектиновых веществ из растительного сырья осуществляют при повышенной температуре водой с добавлением кислот, щелочей, ферментов, специальных химических веществ и биологических добавок, варьированием pH, температуры, концентраций используемых веществ и иных параметров. Одним из таких способов является способ производства студнеобразователя из морских водорослей (авт.св. СССР N 1024054, кл. A 23 L 1/04, 16.07.81) путем обработки водорослей фурцилляции последовательно горячим водным раствором 0,5-0,75% гидроокиси натрия, содержащий 1,0-0,25% хлористого натрия, 0,05-0,75N соляной кислотой, с последующей ее нейтрализацией, экстракции водой и обработки 1% раствором хлористого калия. На первой стадии экстракции используют экстракт от второй.

Или, способ получения пектина из сахарной свеклы (патент США N 5071970, кл. C 08 B 37/06, опубл. 12.10.91.), в котором к сухой свекольной массе добавляют водный раствор сильной минеральной кислоты и выдерживают двое суток при температуре 45^oC до получения свободносыпучего порошка. На 1 г полученного порошка добавляют 10-20 г воды и интенсивно перемешивают, примерно 1 ч при температуре 60-70^oC. Нерастворимый осадок отделяют, а жидкость охлаждают при перемешивании до 20-25^oC, добавляют хлорид алюминия в количестве, достаточном для уменьшения pH (1,2-2,5) на 0,1 единицы, а затем - гидроксид аммония, доводя pH до 4,0-4,5. Выпадающий при этом алюминат пектина отделяют от водной фазы, вводят на 1 часть осадка 2,5-3 части 96% этанола, подкисляют соляной кислотой до pH 2,0 и интенсивно перемешивают. Выпадающий пектин отделяют в качестве целевого продукта.

При таких способах получения концентратов используют соляную и серную кислоты, щелочи, органические растворители и другие химикаты, несовместимые с понятием "пищевой продукт", что в итоге требует больших количеств воды для промывания и очистки полученных веществ. Продолжительность и многоступенчатость технологического цикла повышают расход энергии, делают продукт менее доступным.

В последнее время все большее распространение приобретают способы активации процесса извлечения веществ из растительного сырья с использованием физических методов. Например, способ получения яблочно-пектиновой пасты (авт. св. РФ N 1824161, кл. A 23 L 1/0, 19.02.91.), включающий дозирование компонентов, измельчение, гидролиз выжимок кислотой при 75-80^oC и протирание массы, где измельчение и гидролиз ведут одновременно в кавитационном режиме с числом кавитации 0,05-0,55 в течение 30-40 мин, используют 3-5% раствор молочной кислоты с температурой 40-60^oC при соотношении свежих выжимок и кислоты 1: 2-1:4. Степень извлечения пектинов до 70% от исходного содержания. Анализ на содержание других компонентов не приводится.

При таком способе извлечения режим гидродинамической кавитации не позволяет использовать гидромодуль менее 2-х, что ограничивает возможности достижения высоких концентраций полезных веществ в экстракте. Процесс достаточно длительный. При продолжительности обработки менее 30 мин не наблюдается достаточного перехода протопектина в растворимую форму пектина.

Известен способ получения углеводсодержащего желирующего концентрата (патент РФ N 2000713, кл. A 23 L 1/0524, опубл. 27.04.92.), выбранный нами в качестве прототипа, где активация процесса извлечения веществ из растительного сырья производится с использованием явления кавитации, создаваемого путем воздействия острого пара. Способ включает кислотный гидролиз растительного сырья, экстрагирование, отделение полученного экстракта и его концентрирование, где в качестве сырья используют сахарную свеклу, бланшируют ее острым паром при температуре 103-105^oC в течение 7-8 мин, гидролиз проводят 15 мин при pH 2-3, при температуре 38-42^oC, выделившийся при бланшировке сок и гидролизат-экстракт смешивают и концентрируют вакуумным упариванием при температуре 50-60^oC до содержания сухих веществ в концентрате 58-60% Для достижения pH 3 в конечный продукт добавляют лимонную кислоту. Содержание пектинов в концентрате 2,8-3,4%
При этом способе получения концентрата, где использованы относительно высокие температура и продолжительность операций, полезные компоненты, например витамин C, ферменты и другие биологически активные вещества частично разрушаются, что изменяет их соотношение в экстракте по сравнению с исходным сырьем. Использование лимонной кислоты как химического реактива вместе с сопутствующими ей технологическими примесями, ограничивает области возможного применения концентрата, например, применительно к продуктам детского питания. Наличие закисленных отходов производства (pH примерно 2) требует дополнительных операций по их утилизации. Технологический процесс многоступенчатый, требует значительного энерговклада.

Предложенный способ получения углеводсодержащего желирующего концентрата из пектинсодержащего сырья является экологически чистой, безотходной, энерго- и ресурсосберегающей технологией и позволяет получать концентраты с высоким содержанием нативных пектинов, витаминов, сахаров, органических кислот, биологически активных веществ.

Такой результат мне удалось получить, когда в способе получения углеводсодержащего желирующего концентрата, включающем измельчение пектинсодержащего растительного сырья, его водную экстракцию в кавитационном режиме и отделение твердой фазы, дополнительно, в кавитационном режиме, осуществляют спиртовую экстракцию отделенной твердой фазы, водную и спиртовую вытяжки смешивают, при этом экстракцию проводят в ультразвуковом (УЗ) кавитационном режиме при интенсивности излучения 20-150 Вт/см², частоте 10-100 кГц, предпочтительно 20-50 кГц, при температуре (T) не более 70^oC, гидромодуле сырье: растворитель не менее 1: 1 и продолжительности каждой из стадий экстракции не более 600 с.

Описание способа. Растительное сырье измельчали на мельнице до состояния однородной массы с размером частиц предпочтительно 1 мм и менее. В качестве экстрагирующей жидкости использовали только пищевые растворители: воду и этиловый спирт. Вода преимущественно дистиллированная или артезианская. Гидромодуль выбирали, исходя из природы сырья, содержания протопектина, фактуры кожуры, качества мякоти, сорта (например, зимние или летние яблоки), сухого остатка. С другой стороны гидромодуль всегда обеспечивал условия достижения кавитационного режима. При соотношении сырье: растворитель менее 1:1, особенно для высушенного сырья, достижение режима кавитации и извлечение компонентов затруднено. Выше 1:20 технологически не эффективно.

Экстракция в УЗ поле идет с разогревом, поэтому продолжительность облучения и температура взаимосвязаны, выбираются из конкретных задач и условий. С целью полного сохранения витамина C процесс ведут при температуре не выше 70^oC и времени обработки не более 600 с, предпочтительно от 100 до 300 с. При необходимости ограничения температуры, суммарное время экстракции набирают чередованием периодов озвучивания и пауз для охлаждения, или при непрерывном охлаждении. Проведение экстракции при T ниже 30^oC технологически не целесообразно из-за дополнительных затрат на охлаждение.

Все эксперименты, результаты которых использованы в качестве примеров, выполнены на следующей аппаратуре:
1) мельница KEM-C2H;
2) ультразвуковой генератор УЗГ 3-4М, преобразователи ПМС 6-22, ПМС 15-А18;
3) сосуд для обработки пульпы стеклянная емкость, 1 л;
4) устройство для отжима-центрифуга, 8 тыс. оборотов в мин.

Эксперименты выполнялись на сырье с естественной влажностью (от высушенного шиповника до яблок с влажностью 88%). Понятие гидромодуль показывает отношение массы исходного сырья к массе растворителя. Изменение концентраций витамина C, как одного из наиболее нестойких к термическому воздействию, использовано в качестве критерия неагрессивности способа.

В табл. 1-3 даны результаты анализов на содержание в экстракте основных компонентов: пектина, витамин C, органических кислот (в пересчете на яблочную кислоту), сахаров (суммарно).

В примерах 1-6 приведена зависимость степени экстракции от времени озвучивания. Температура пульпы поддерживалась на уровне до 38^oC.

Суммарное время экстракции набрано чередованием периодов озвучивания и пауз для охлаждения. В концентрате определяли содержание пектина, витамина C, органических кислот, сахаров (табл. 1).

Пример 1. В сосуде для обработки пульпы смешивали 300 г измельченных яблок (содержание сухого вещества 11,6% ) и 300 г дистиллированной воды (гидромодуль 1: 1). Озвучивали 50 с при интенсивности УЗ до 7 Вт/см³. Смесь разогревалась до температуры 38^oC. Отделяли экстракт. 54 г полученного жома смешивали с 54 г 96% этилового спирта (гидромодуль 1:1) и озвучивали 50 с при той же интенсивности УЗ. Экстракт отделяли. Водную и спиртовую вытяжки смешивали. Остаток 19,2 г.

Пример 2. То же, что и в примере 1. Озвучивали 100 с. Остаток 20,4 г.

Пример 3. То же, что и в примере 1. Озвучивали 300 с. Остаток 16,2 г.

Пример 4. В сосуде для обработки пульпы смешивали 300 г измельченного лимона (содержание сухого вещества 7,7%) и 300 г дистиллированной воды. Озвучивали 50 с при интенсивности УЗ 70 Вт/см². Отделяли экстракт. 120 г полученного жома смешивали со 120 г 96% этилового спирта и озвучивали 50 с при той же интенсивности УЗ. Спиртовой экстракт отделяли. Водную и спиртовую вытяжки смешивали. Остаток 60 г.

Пример 5. То же, что и в примере 4. Озвучивали 100 с. Остаток 59,4 г.

Пример 6. То же, что и в примере 4. Озвучивали 300 с. Остаток 55,2 г.

pH концентрата в примерах 1 6 от 4,5 до 5,5.

Примеры 7-12 зависимость степени извлечения пектина и витамина C от продолжительности и температуры экстракции (табл. 2).

Пример 7. То же, что и в примере 1. На обеих стадиях озвучивали 100 с. Температура пульпы до 48^oC.

Пример 8. То же, что и в примере 1. На обеих стадиях озвучивали 200 с. Температура пульпы до 70^oC.

Пример 9. То же, что и в примере 1. На обеих стадиях озвучивали 300 с. Температура пульпы до 70^oC.

Пример 10. То же, что и в примере 1. На обеих стадиях озвучивали 600 с. Температура пульпы до 70^oC.

Пример 11. В сосуде для обработки пульпы смешивали 300 г измельченной красной смородины (содержание сухого вещества 15%) с 300 г дистиллированной воды (гидромодуль 1: 1) озвучивали 200 с при интенсивности УЗ 70 Вт/см². Смесь разогревалась до температуры 40^oC. Экстракт отделяли. 64,9 г жома смешивали с 69,4 г 96% этилового спирта (гидромодуль 1:1). Озвучивали 200 с при той же интенсивности УЗ. Экстракты смешивали. Остаток 41,4 г
Пример 12. То же, что и в примере 11. Озвучивали 600 с. Температура пульпы до 70^oC.

Примеры 13-18 зависимость степени извлечения пектина и витамина C от интенсивности УЗ поля. Время озвучивания 100 с. Гидромодуль 1:1. Температура
не выше 70^oC.

Пример 13. То же, что и в примере 1. Интенсивность УЗ поля 20 Вт/см². Температура пульпы до 30^oC.

Пример 14. То же, что в примере 1. Интенсивность УЗ поля 70 Вт/см². Температура пульпы до 48^oC.

Пример 15. То же, что в примере 1. Интенсивность УЗ поля 120 Вт/см². Температура пульпы до 70^oC.

Пример 16. То же, что и в примере 1. Сырье высушенный шиповник (содержание сухого вещества 83%). Интенсивность УЗ поля 20 Вт/см². Температура пульпы до 32^oC.

Пример 17. То же, что и в примере 16. Интенсивность УЗ поля 70 Вт/см². Температура пульпы до 48^oC.

Пример 18. То же, что и в примере 16. Интенсивность УЗ поля 120 Вт/см². Температура пульпы до 70^oC.

Пример 19. То же, что и в примере 17. Гидромодуль 1:5. Температура пульпы до 35^oC.

Энергозатраты для получения концентрата по примерам 13-15, данным в табл. 3, составляют 0,31, 0,94 и 1,90 кВт/час на 1 кг концентрата соответственно.

Таким образом, заявлен способ получения углеводсодержащего желирующего концентрата с новыми условиями экстракции в кавитационном режиме, при которых полезные эффекты интенсивной акустической обработки (диспергирование, перемешивание, экстракция) реализуются с высокой скоростью, а негативные последствия высокого удельного энерговклада (химическое разложение, деструкция) еще не успевают проявиться.

Предложенный способ получения пищевых концентратов позволяет вовлечь в пищевой рацион ранее неиспользуемые источники растительного происхождения.

Принципиальное значение имеет тот факт, что производство безотходное и экологически чистое. Процесс может быть прерван в любой момент, а полученные продукты, включая жом, полностью и без доработки использованы в рационе человека и в животноводстве. Этот способ по суммарным энергозатратам является наиболее экономичным и в максимальной степени соответствует концепции повышения эффективности природопользования.

Использование: при производстве алкогольных и безалкогольных напитков, а также в кондитерском производстве. Сущность изобретения: измельчают пектинсодержащее растительное сырье, проводят его водную экстракцию в ультразвуковом кавитационном режиме и отделяют твердую фазу, дополнительно в кавитационном режиме осуществляют спиртовую экстракцию отделенной твердой фазы, водную и спиртовую вытяжки смешивают, экстракцию проводят в УЗ кавитационном режиме при интенсивности излучения от 20 до 120 Вт/см², частоте от 10 до 100 кГц, температуре не более 70^oC, гидромодуле сырье: растворитель не менее 1:1 и продолжительности каждой из стадий экстракции не более 600 с. 3 табл.

Способ получения углеводсодержащего желирующего концентрата, включающий измельчение пектинсодержащего растительного сырья, его водную экстракцию в кавитационном режиме и отделение твердой фазы, отличающийся тем, что в нем дополнительно в кавитационном режиме осуществляют спиртовую экстракцию отделенной твердой фазы, водную и спиртовую вытяжки смешивают, при этом экстракцию проводят в ультразвуковом кавитационном режиме при интенсивности излучения 20 120 Вт/см², частоте 10 100 кГц, температуре не более 70^oC, гидромодуле сырье растворитель не менее 1 1 и продолжительности озвучивания не более 600 с на каждой стадии экстракции.