5.3. Процессы экстракции и ректификации

ПРОЦЕСС ЭКСТРАКЦИИ

Сущность и назначение процесса экстракции. В широком смысле экстракция представляет собой извлечение одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с по­мощью избирательных растворителей, называемых экстрагентами.

При экстракции из твердого тела имеются две фазы: жидкая и твердая. При экстракции из жидкости обе фазы жидкие. Со­вершенно очевидно, что экстракция возможна только при ус­ловии тесного контакта фаз между собой.

Экстракция из твердых тел имеет очень большое значение в производстве сахара, растительных масел, в витаминном про­изводстве и т. д. Экстракция из жидкостей находит применение при производстве молочной кислоты и других пищевых кислот из ферментированных растворов.

Процессы экстракции широко используются в общественном питании. Варка и жарка продуктов, как правило, всегда со­провождаются экстрагированием тех или иных веществ из про­дукта в воду или жир. Процессы экстракции происходят при приготовлении многих напитков. Так, приготовление чая и кофе – это типичный процесс экстрагирования из твердых ве­ществ (водой) компонентов, обусловливающих вкус и запах этих напитков. Экстракция имеет место при приготовлении бульонов и отваров.

Экстракция из жидких систем. В общем виде экстракцию из жидких систем можно представить следующим образом. До­пустим, в жидкости А растворен компонент В. Это означает, что имеется двухкомпонентный раствор А+В. Если к этому рас­твору добавить растворитель (экстрагент) Д, который не рас­творяется и не смешивается с жидкостью А, но хорошо раство­ряет в себе компонент В, то компонент В будет переходить в растворитель. Концентрация компонента В в жидкости А при этом будет уменьшаться. В реальных условиях компонент В не полностью перейдет в экстрагент Д, какая-то часть его остается в жидкости А. Таким образом, компонент В будет находиться в жидкости А и в экстрагенте Д.

Экстрагирование из твердых тел. Процесс экстрагирования из твердых тел можно расчленить на две стадии. Первая из них представляет собой диффузию экстрагируемого компонента из внутренних слоев продукта к наружным. Эта стадия называ­ется внутренней диффузией. Вторая стадия экстрагирования – это переход компонента от поверхности продукта в раствори­тель. Эта стадия называется внешней диффузией.

Рассмотрение процесса экстракции как двухстадийного по­зволяет сделать вывод о том, что продолжительность его осу­ществления определяется скоростью внутренней и внешней диффузии. Скорость внутренней диффузии можно значительно повысить за счет нагрева продукта до температуры, превышаю­щей температуру растворителя. Скорость внешней диффузии увеличивают путем создания интенсивного турбулентного дви­жения растворителя.

Эффективность процесса экстрагирования из твердого про­дукта обеспечивают следующие основные условия.

1. Правильный выбор типа растворителя. Растворитель дол­жен извлекать из продукта только нужный компонент без по­сторонних примесей. Экстрагент не должен вызывать коррозии аппаратуры. Особо важное требование заключается в том, чтобы растворитель полностью удалялся из экстрагируемого продукта, не оставляя вредных для организма соединений.

В пищевой промышленности в качестве экстрагентов ис­пользуют воду, бензин, этиловый спирт, ацетон, дихлорэтан. В условиях общественного питания в роли экстрагентов высту­пают вода, пищевые жиры.

2. Достижение необходимой степени измельчения продукта. Совершенно очевидно, что измельчение продукта приводит к увеличению поверхности контакта его с экстрагентом. При этом желательно, чтобы размер частиц был одинаковым.

3. Создание оптимальных температурных условий. Повыше­ние температуры продукта приводит к увеличению скорости внутренней диффузии, что интенсифицирует весь процесс экс­трагирования.

4. Создание нужного давления. Установлено, что повышение давления в системе приводит к увеличению выхода экстраги­руемых веществ. Использование повышенного давления при экстрагировании вызывает необходимость применять более сложную, герметически закрытую аппаратуру.

5. Достаточное количество растворителя. Увеличение коли­чества растворителя, безусловно, способствует более полному извлечению экстрагируемых веществ из продукта. Однако ис­пользуемое количество экстрагента должно быть оптимальным. Если его слишком много, то возможно экстрагирование приме­сей и, кроме того, концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте будет невысокой, что делает затруднительным из­влечение из него экстрагируемого компонента. Если же экстр­агента меньше оптимального количества, то экстрагируемый компонент не будет полностью извлечен, что ведет к нежелательным потерям ценного сырья.

6. Соблюдение оптимальной продолжительности процесса экстрагирования. При увеличении продолжительности процесса повышается выделение экстрагируемого компонента, но понижается производительность аппаратов. В целях сокращения продолжительности проведения экстрагирования прибегают к измельчению сырья, поддержанию требуемых температуры и давления и используют оптимальное количество экстрагента.

Экстракторы. В пищевой промышлен­ности и общественном питании исполь­зуют экстракторы самых различных кон­струкций. Однако для ознакомления с принципом их действия достаточно ог­раничиться рассмотрением экстракторов лишь некоторых типов. Так, на рис. 51 представлена схема двухкорпусного эк­страктора для выделения сахарозы из стружки сахарной свеклы. Вода входит в первый подогреватель, из него она про­ходит через слой стружки сахарной свеклы, расположенной в первом корпусе экстрактора. При этом происходит экст­рагирование сахарозы. Далее раствор са­харозы поступает во второй подогреватель, где его температура повышается. Затем раствор поступает во второй корпус экст­рактора. Из него концентрированный сироп отводится на даль­нейшую переработку.

Рис. 51. Схема двухкорпусного экстракта для выделения сахарозы:

1, 3 – подогреватели; 2, 4 – экстракторы;

5 – патру­бок для выхода сахарного сиропа; 6 – патрубок для входа воды

Для приготовления кофе применяют различного рода кофе­варки, работающие на адсорбционном, перколяционном (фон­танирующем) и фильтрационном принципах. Схема кофеварки фонтанирующего типа приведена на рис. 52. Кипяток из кипя­тильника по фонтанирующей трубке поступает вверх. От отра­жателя он попадает на слой кофе, расположенного на сетке. Готовый кофе отводится через патрубок.

Экстракция в общественном питании. В общественном пи­тании процессы экстракции используются для получения кон­центрированных растворов экстрагируемых веществ. Кроме того, она сопутствует процессам варки и жарки и некоторым другим.

Если при приготовлении пищи используется направленный процесс экстракции, то его надо осуществлять при соответствующих режимах. К таким процессам относятся приготовле­ние бульонов на мясной или рыбной основе, чая, кофе.

Мясные бульоны готовят из мяса, мясокостного сырья и кости. При варке этого сырья из него экстрагируются многие вещества, которые называются экстрактивными. В бульоны пе­реходят также минеральные вещества, белки и жиры. К экс­трактивным веществам относятся многие азотистые и безазо­тистые аромато- и вкусообразующие вещества. В целях более полного экстрагирования веществ варку необходимо проводить с учетом тех факторов, которые обусловливают эффективную экстракцию. Это прежде всего про­должительность, которая должна быть такой, чтобы обеспечить пол­ный переход экстрактивных веществ. При приготовлении бульонов из мясокостного сырья оно должно быть предварительно измельчено на куски размером 5-6 см.

Рис. 52. Схема фонтанирующей кофеварки:

1 – кипятильник; 2 – патру­бок для выхода кофе; 3 – корпус аппарата;

4 – сетка для кофе; 5 – отражатель; 6 – фонтанирующая трубка;

7 – электронагреватель; 6 – патрубок для подачи воды

Процессы экстрагирования яв­ляются основными при приготовлении чая и кофе. Ценность этих на­питков заключается именно в экс­трактивных веществах, которые переходят в воду. Для получения вы­сококачественного чая необходимо тщательно следить за качеством во­ды, она не должна быть жесткой и не содержать много железа. Заваривают чай крутым кипятком. Кипячение заваренного чая недопустимо, так как вместе с парами улетучиваются ценные компоненты.

При приготовлении кофе для эффективного экстрагирования из него ценных компонентов он должен быть предварительно измельчен. Установлено, что ко­личество экстрактивных веществ, переходящих в воду, увеличи­вается почти в 1,5 раза при использовании кофе, измельченного до 200 мкм (размер частицы), по сравнению с кофе, частицы которого имеют размер 800 мкм.

Процесс экстрагирования имеет большое значение при ис­пользовании различных пряных веществ, добавляемых при варке и жарке мясных, рыбных, овощных продуктов, при при­готовлении соусов и приправ. Вкусовые и ароматические веще­ства из пряностей экстрагируются в бульон или отвар. В усло­виях индустриализации общественного питания за последнее время все более широкое распространение получает применение готовых экстрактов, полученных из пряностей.

В результате процесса экстрагирования происходит окраши­вание воды при варке различных овощей, фруктов и ягод. Это свойство используется при производстве пищевых красителей из растительного сырья.

Как уже указывалось, при приготовлении пищи путем ее варки или жарки происходит самопроизвольное экстрагирова­ние ценных компонентов. Чтобы свести его к минимуму, необхо­димо правильно подобрать технологические режимы кулинар­ной обработки продуктов. Прежде всего нельзя оставлять про­дукт, достигший кулинарной готовности, в бульоне или жире при повышенной температуре. Это относится прежде всего к приготовлению отварных мяса и рыбы, а также некоторых видов овощей и плодов.

РЕКТИФИКАЦИЯ

Сущность процесса и виды ректификации. Ректификацию часто называют перегонкой, дистилляцией. Ректификация пред­ставляет собой процесс, при котором происходит испарение ле­тучего компонента с последующей конденсацией его паров. Следовательно, перегонка основана на различной летучести ком­понентов смеси при одной и той же температуре.

Конденсат летучего компонента называют дистиллятом или ректификатом, а оставшиеся после перегонки компоненты – остатком.

Существуют два вида перегонки: простая перегонка (ди­стилляция) и ректификация.

Простая перегонка представляет собой процесс однократ­ного частичного испарения жидкой смеси и конденсации обра­зующихся паров. Ректификация – это процесс разделения мно­гокомпонентных гомогенных смесей летучих жидкостей путем многократного испарения и конденсации. Ректификация ши­роко применяется в спиртовой промышленности и в производ­стве эфирных масел. Простая перегонка в самом элементарном виде – получение дистиллированной воды. Процессы перегонки широко используют в общественном питании для анализа со­става, качества сырья, материалов и готовой кулинарной про­дукции.

Аппараты для проведения дистилляции. Схема простейшего аппарата, предназначенного для дистилляции жидкостных си­стем, приведена на рис. 53.

Рис. 53. Схема аппарата для дистилляции:

1 – патрубок для выхода конден­сата из змеевика; 2 – патрубок для входа

греющего пара в зме­евик; 3 – патрубок для подачи жидкой смеси; 4 – корпус аппарата; 5 – патрубок для отвода паров легколетучего компонента;

6 – патрубок для выхода воды; 7 – корпус конденсатора;

8 – патру­бок для выхода дистиллята; 9 – патрубок для входа воды

За счет змеевикового нагревателя смесь в аппарате закипает. Образовавшиеся пары легколету­чего компонента поступают в конденсатор, из которого отво­дится готовый дистиллят.

В пищевой промышленности и общественном питании нашли применение дезодораторы – аппараты для перегонки, предна­значенные для очистки (дезодорации) растительных масел и животных жиров. В них осуществляют перегонку с водяным паром. Высококипящие альдегиды и кетоны, придающие непри­ятный запах жирам, отгоняются водяным паром. Суть процесса заключается в следующем (рис. 54). В жир барботирует пар, который увлекает вместе с собой нежелательные компоненты. Далее пар вместе с газообразными альдегидами и кетонами направляется в конденсатор, где происходит их конденсация. Отгонный компонент, называемый одором, поступает в сборник.

Рис. 54. Схема дезодоратора:

1 – рубашка; 2 – патрубок для входа пара; 3 – корпус аппарата; 4 – патрубок для входа барботирующего пара; 5 – патрубок для выхода летучих фракций;

6 – па­трубок для выхода воды; 7 – па­трубок для входа летучих фрак­ций;

8 – конденсатор; 9 – патру­бок для входа воды; 10 – патру­бок для выхода

остатка (одора); 11 – патрубок для входа остатка (одора); 12 – сборник одора