Фізико-хімічні основи харчових технологій

1. Масообмінні процеси харчових технологій

   0. Процес екстрагування продовольчої сировини

Екстрагування – найбільш поширений спосіб вилучення корисних речовин з харчової сировини за допомогою розчинника.

Екстракція заснована на законі розподілу – вилучення речовини тим повніше, чим більше коефіцієнт його вилучення відрізняється від одиниці. Екстракція може бути однократною, коли екстрагент додається один раз, і дробною – додання екстрагенту проводиться порціями в декілька прийомів.

У харчових виробництвах екстрагуванню піддають частіше сировину рослинного походження – фрукти, насіння олійних культур, цукровий буряк та ін. За фізичними властивостями ця сировини відноситься до твердих тіл. Перед екстрагуванням, рослинну сировину подрібнюють, при цьому частина рослинних клітин ушкоджується і внутрішньоклітинна речовина переходить у екстрагент. Але більшість клітин залишається неушкодженими, і речовина вилучається із сировини крізь клітинні мембрани у екстрагент за рахунок дифузії.

Процес екстрагування можна здійснювати, зануривши підготовлену сировину у рідкий екстрагент. В цьому випадку концентрація речовини у сировині буде постійно зменшуватись, а у екстрагенті – збільшуватись. Процес екстрагування закінчиться, коли концентрація речовин у сировині і у екстракті зрівняється. При перемішуванні швидкість екстрагування зростає.

Процес екстрагування можна проводити також шляхом пропускання екстрагента крізь нерухомий шар сировини тобто за рахунок фільтрації.

Процес екстрагування може відбуватися шляхом протиточного надходження сировини і екстрагенту і їх незупинного переміщення. Взагалі процес екстрагування можна поділити на 4 стадії:

– проникнення екстрагента у пори рослинної сировини;

– розчинення вилучаємої речовини екстрагентом;

– дифузійний перенос вилучаємої речовини до поверхні частинки сировини;

– перенос вилученої сировини з поверхні сировини у рідку фазу, тобто екстрагент.

При екстрагуванні соковитої рослинної сировини враховують швидкість переносу у середині частинки сировини – внутрішня дифузія, та швидкість переносу з поверхні твердого тіла у рідину екстрагенту – зовнішня дифузія. В залежності від величини опору процес дифузії може протікати по-різному.

У випадку, коли зовнішня дифузія перевищує швидкість внутрішньої дифузії. Тоді швидкість внутрішньої дифузії, яка обмежує швидкість екстрагування, визначається рівнянням

М =

де D_зов – коефіцієнт внутрішньої дифузії, м²/с;

l – визначальний розмір часточок, м;

F – сумарна поверхня сировини, м²;

ΔС – різниця між середньою концентрацією речовини усередині сировини і середньою концентрацією речовини у розчині, який оточує сировину, кг/м³;

τ – тривалість процесу, с.

Цей процес здійснюється в апаратах активним перемішуванням фаз. Перенос речовини з внутрішньо - клітинної рідини за межі клітини здійснюється за рахунок молекулярної дифузії через багатошарову оболонку, яка складається з двох мембран, між яким знаходиться протоплазма. Рослинні клітини щільно оточені іншими клітинами і речовина з внутрішніх клітин повинна дифундувати через ці клітини, що свідчить про великий опір внутрішній дифузії. Для зменшення опору подрібнену сировину піддають тепловій, хімічній, ферментативній обробці або електроплазмолізу, що призводить до денатурації протоплазми і зростанню проникності оболонок рослинних клітин.

У зв’язку з малим розміром клітин (5-50 мкм) і ще менших розмірів пор, по яких переноситься речовина, швидкість молекулярної дифузії навіть після попередньої обробки сировини набагато менша, ніж швидкість молекулярної дифузії цієї ж речовини у чистій речовині. Тому D називають коефіцієнтом масопровідності, який входить у дифузійний критерій Біо.

У випадку, коли швидкість внутрішньої дифузії перевищує швидкість зовнішньої дифузії, рівняння масопередачі для зовнішнього переносу, який обмежує швидкість екстрагування, має вигляд

М =

де D_зов – коефіцієнт зовнішньої дифузії, м²/с;

δ – товща граничної плівки, м;

ΔС – різниця концентрації вилученої речовини на межі твердого тіла і рідини та середньої концентрації у оточуючій рідині, кг/м³.