V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Биологически активные вещества (БАВ), в тех или иных количествах содержащиеся в различных растениях, играют огромную роль в поддержании и стабилизации важных биохимических и физиологических процессов человеческого организма. Известно, что многие биологически активные компоненты присутствуют в растениях в небольших количествах, поэтому в ряде случаев возникает необходимость их выделения и/или концентрирования. И одним из способов, позволяющих решить данную проблему, является процесс, достаточно широко применяемый в современной промышленности, - экстракция.

Экстракция (от лат. extraho — извлекаю) — метод извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя (экстрагента). Для извлечения из раствора применяются растворители, не смешивающиеся с этим раствором, но в которых вещество растворяется лучше, чем в первом растворителе [8].

Простое экстрагирование заключается в том, что вещество экстрагируют из раствора одной порцией растворителя. Если экстракция повторяется несколько раз, то это повторное экстрагирование. Если вещество непрерывно экстрагируют растворителем из раствора, то такой метод носит название перфорация. Мацерация представляет собой простейший в исполнении и техническом оснащении способ экстракции, когда твердую фазу размешивают с растворителем и отфильтровывают. При перколяции – противоточной экстракции – в научных лабораториях используют перколяторы и экстракторы.

Современная экстракционная промышленность вынуждена использовать растворители - экстрагенты, обладающие не только большей извлекающей способностью, но и отвечающие требованиям современных стандартов качества и гигиены. Одним из решений данной проблемы является применение в качестве экстрагента сжиженного СО₂ газа [10].

СО₂-экстракт - это концентрат собственных веществ, принадлежащих растению, без содержания посторонних примесей, растворителей и воды, полученный с применением в качестве растворителя углекислоты. СО₂-экстракт по сравнению с экстрактами, извлечёнными с помощью других растворителей, имеют свои преимущества:

• Максимально сохраняют все биологически-активные вещества и являются абсолютно натуральным и экологически чистым продуктом.

• Стерильны сами и бактерицидно воздействуют на микрофлору продукта, в который их вносят.

• Передают вкус и аромат продукта, из которого получены.

• Долговечны. Срок годности экстракта в герметичной упаковке не менее 2 лет.

• Содержат массу природных консервантов и антиоксидантов, которые помогут сохранить продукт, тем самым, исключая использование синтетических консервантов.

• СО2-экстракты – готовые продукты для непосредственного использования в различных областях применения и не требующие дополнительной обработки в целях удаления остатков растворителя [2].

Так же следует отметить, что с помощью СО₂-экстракции можно получать два вида экстрактов:

1. тотальные экстракты (смесь биологически активных веществ сырья). Полные, или тотальные сверхкритические экстракты представляют собой сложный комплекс различных веществ: эфирных масел, жирных кислот, пигментов, алкалоидов, стеринов и других растворимых в CO2 веществ. Экстракт практически копирует исходное растительное сырье, причем вещества находятся в пропорциях свойственных исходному сырью.

2. селективные экстракты (экстракты с максимальным содержанием заданной группы веществ – например, каротиноиды) [11].

Технология производства экстрактов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Аппаратурно - технологическая схема производства СО₂ – экстрактов:

1 - Весы платформенные HV-200KGL; 2 - Ванна моечная трехсекционная ВМО-3/700; 3 – ящик пластиковый; 4 - Микроволновая-вакуумная установка «Муссон-2-модуль»; 5 – Измельчитель УИМ-2; 6 – п/э мешок с вкладышем вместимостью 3,5 кг; 7 - Экстракционная установка Natex; 8 – бочка емкостью 10 л; 12 - Весы торговыеSF-30KA ; 13 – банка с завинчивающейся крышкой; 14 - Стол рабочий СР-2/1200/600; 15 – гофрокороб; 16 – стеллажи 3-х ярусные.

Основным оборудованием в производстве СО2-экстрактов является экстракционная установка, которая представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Экстракционная установка

Принцип работы сверхкритической флюидной экстракционной установки представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – схема работы сверхкритической флюидной экстракционной установки

В настоящее время СО2-экстракты используются в различных отраслях пищевой промышленности.

1.Пивоварение

Одни из самых мощных установок в мире с рабочим объемом экстракторов 4.5 - 7 м³, задействованы на переработке хмеля. Только в Австралии подобным образом перерабатывается свыше 20.000 тонн хмеля ежегодно, крупнейшие заводы работают в Германии. При классической экстракции хмеля в качестве растворителя используется дихлорметан, который после экстракции не может быть полностью удален из пастообразного экстракта. Отличной альтернативой служит сжиженный и сверхкритический углекислый газ, он имеет лучшую растворяющую способность для хмелевых смол, что приводит не только к уменьшению расхода растворителя, но и резко снижает время проведения экстракции. Сверхкритические экстракты хмеля не содержат пестицидов, которые применяются при его возделывании. Не происходят процессы окисления, термического образования артефактов составляющих хмеля. Экстракты хранятся до 6-7 лет. Экономика производства сверхкритических экстрактов прекрасно вписывается в общее производство пива. Пока в Россию подобные экстракты поставляются из Германии, но, учитывая площади возделывания хмеля в России, в частности в Чувашии, можно предположить, что именно данная технология даст новый толчок для развития этой отрасли производства. В настоящее время производством CO2-экстракта хмеля занимаются одни из крупнейших сверхкритических производств в Германии, Великобритании, Австралии.

2. Переработка кофе и чая

Технология сверхкритической экстракции находит свое применение для извлечения из растительного сырья алкалоидов. В этом плане нельзя не упомянуть о декофеинизации кофе и чая. Эти два продукта относятся к излюбленным вкусовым продуктам и имеют большое экономическое значение. Кофеин, содержащийся в этих продуктах, переносится не всеми потребителями одинаково хорошо, что вызывает необходимость удаления этого алкалоида из кофейных зерен и чайного листа. Традиционный способ декофеинизации предполагает использование органических растворителей (дихлорметан), которые не всегда легко и полностью удаляются из обработанного сырья. И в этом случае хорошей альтернативой может явиться проведение декофеинизации при помощи сверхкритического диоксида углерода причем следует подчеркнуть - именно сверхкритического углекислого газа, так как большинство исследований, проведенных в данной области, показало, что экстракция жидким углекислым газом (докритическая экстракция) лишена смысла, поскольку наряду с кофеином извлекается значительное количество желательных веществ, тогда как сверхкритический диоксид углерода обладает свойством высокой селективности именно для кофеина. Декофеинизация чайного листа более сложный процесс, так как предварительно из сырья с помощью сухого сверхкритического углекислого газа выделяются ароматические компоненты, затем увлажненный сверхкритический диоксид углерода освобождает чайный лист от кофеина, который и пропитывается выделенными ранее ароматическими веществами. Таким образом, в случае обработки чая возможно в ходе одного технологического процесса не только удалить кофеин, но и ароматизировать обрабатываемый чай.

3. Ароматические и вкусовые вещества

Получение пищевых ароматизаторов по сей день является одним из основных направлений промышленного применения сверхкритического диоксида углерода. Веществами, определяющими ценность пряностей, являются компоненты запаха и вкуса. Промышленное применение сухих пряностей иногда бывает затруднено, а порой и вовсе невозможно. Примером этого может служить проблема внесения в состав фарша вареных колбас сухого перца (красного, черного, душистого). Отличной альтернативой сухим пряностям является использование пряных масел и олеорезинов. Эти концентраты имеют целый ряд преимуществ: длительный срок хранения, сравнительная простота технологии их внесения в конечный продукт, стерильность, более эффективное использование содержащихся в них веществ. Ароматизаторы традиционно получают дистилляцией водяным паром, но наряду с эфирными маслами пряности содержат и острые вещества, и определенные смоляные вещества, определяющие вкус соответствующего сырья. Для их получения применяется экстракция растворителем с низкой точкой кипения. Сверхкритическая экстракция обладает всеми преимуществами обоих методов, не имея, однако, их недостатков. В этом плане Советский Союз еще в 1974 году имел приоритет по получению CO2-экстрактов пряностей, к сожалению, эти работы велись и ведутся до сих пор методом докритической CO2-экстракции. Учитывая разнообразие ароматических и пряных растений можно с уверенностью говорить о приближении производства пищевых ароматизаторов к искусству парфюмеров в плане создания запахов.

4. Функциональные пищевые ингредиенты (натуральные красители)

Внешний вид и цвет пищевых продуктов наряду со вкусовыми свойствами служат основными показателями их качества. Для сохранения, улучшения и придания определённого внешнего вида и цвета продуктам питания используют пищевые красители. Основное требование, предъявляемое к пищевым красителям: нетоксичность и безвредность для организма человека. Сегодня по сверхкритической технологии вырабатываются практически все натуральные красители, которые по сути своей представляют собой отдельные фракции растительных сверхкритических экстрактов. Интересной областью применения сверхкритического диоксида углерода может стать получение натуральных красителей, например, каротиноидов. Эти желтые и красные натуральные красящие вещества имеют большое практическое значение для окрашивания продуктов питания. В качестве сырья в этом случае могут быть использованы различные виды и части растений, в частности корнеплоды (морковь) и окрашенные плоды (острый и сладкий перец).

5. Масложировая промышленность

Главными способами получения жирных масел в настоящее время являются как традиционное прессование, так и экстракция различными растворителями. В ряде случаев можно применять и комбинированный метод. При этом для получения товарного масла необходимо провести целый комплекс мероприятий, таких как удаление лецитина, слизи, кислоты, произвести отбеливание, дезодорацию и т.д. Эти технологические операции являются необходимыми, но требуют привлечения дополнительного оборудования и энергетических ресурсов. При экстракции сверхкритическим углекислым газом эти процессы осуществляются в течение одного технологического цикла, причем качество получаемого в этом случае масла намного лучше.

Также СО₂-экстракты находят широкое применение в безалкогольной, ликероводочной, кондитерской, мясной, рыбной и консервной промышленности [9].

Актуальность применения экстрактов в пищевой промышленности была подтверждена в работах Комаровой К.Д [4], Анохиной Д.Э. [1], Гавриловой А.С [3], Кузнецовой Н. Ю. [5], Купцовой Ю. Ю. [6].

Несмотря на большие преимущества, проявляется сдержанность со стороны промышленности к применению сверхкритической технологии. Хотя в России на сегодня имеется несколько исследовательских групп, работающих в области сверхкритических газов, широкого промышленного применения сверхкритической технологии пока не наблюдается в отличие от высокоразвитых стран, таких как Германия, Франция, США и др [7].

Применение СО₂-экстрактов всегда гарантирует повышение качества продукции, а значит и успех на рынке. В современном мире спрос на здоровую натуральную продукцию возрастает, а так как сегодня нет экстрактов из растений более натуральных, чем СО₂ - экстракты, продукция, в состав которой они будут вводиться, в дальнейшем может получить большую популярность среди потребителей.

Список литературы

1. Анохина Д. Э. Возможность использования СО₂-экстрактов в производстве шоколада, 2012 [http://rae.ru/forum2012/249/1361],/ IV Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2012». - Электрон. дан. и прогр.

2. Булдаков А.С.Пищевые добавки. Справочник 2-е издание переработанное и дополненное - М.:Дели принт,2003.-80 с.

3. Гаврилова А.С. Полезное мороженое, 2012 [http://rae.ru/forum2012/249/1362]./ IV Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2012». - Электрон. дан. и прогр.

4. Комарова К.Д. Мясные деликатесы с СО₂ – экстрактами,2012 [http://rae.ru/forum2012/249/1366]./ IV Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2012». - Электрон. дан. и прогр.

5. Кузнецова Н. Ю. Обогащенное подсолнечное масло СО₂-экстрактами, 2012 [http://www.rae.ru/forum2012/249/1367]./ IV Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2012». - Электрон. дан. и прогр.

6. Купцова Ю. Ю. Обогащение ржано-пшеничного хлеба СО₂-экстрактом розмарина, 2012 [http://www.rae.ru/forum2012/249/1368]./ IV Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум 2012». - Электрон. дан. и прогр.

7. Латин Н.И., Банашек В. М. СО₂ -экстракты – продукт XXI века.// Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2001. № 5

8. Паромчик И. И. Пряно-ароматические и лекарственные растения в технологиях получения биологически активных добавок и СО2-экстрактов. Мясная индустрия. - 2009. - №3.- 45 с.

9. Сарафанова Л.А. Применение пищевых добавок. - С. Петербург, ГИОРД, 2005

10. Сверхкритическая флюидная экстракция - технология XXI века // Хранение и переработка сельхозсырья. - N 1. - 2005. - С.15-16.

11. Технология натуральных эфирных масел и синтетических душистых веществ. / И. И. Сидоров [и др.]. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 2001. - 368 с.

Код для цитирования: Скопировать