способ получения экстрактов с использованием электрофизических методов

Формула изобретения

Способ получения экстрактов с использованием электрофизических методов путем микроволнового воздействия, отличающийся тем, что на первом этапе исходный материал водонасыщают, воздействуя электрическим током повышенной частоты в пределах 9 - 20 кГц в течение 1 - 3 мин, на втором этапе водонасыщенный исходный материал помещают в жидкость с высокими диэлектрическими свойствами и воздействуют микроволновой энергией с плотностью потока мощности не менее 100 мВт/см³ до повышения температуры жидкости до 55°С, на третьем этапе получаемый экстракт принудительно охлаждают до температуры 25°С и повторяют циклы нагрева и охлаждения многократно в течение 2-4 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству натуральных экстрактов и может быть использовано в пищевой, медицинской, парфюмерной и др. отраслях производства, использующих натуральные экстракты.

Известны традиционные способы экстрагирования продуктов фармацевтического и пищевого производства, когда исходный биологический материал помещают в жидкую среду и после механического или теплового воздействия из него извлекают полезные вещества[1, раздел 1]. Этой технологии присущи целый ряд недостатков: неполное извлечение полезных веществ, продолжительное время технологического процесса, снижение биологической ценности экстракта за счет высокой температуры нагрева экстрагируемого материала.

Наиболее эффективной технологией экстрагирования в настоящее время признана известная технология с использованием микроволнового воздействия, которая и принята за прототип [1, раздел 2].

Известная технология экстрагирования биологически-активных веществ из растительного сырья с использованием микроволнового воздействия содержит следующие операции [1, раздел 3]:

- измельчают исходный материал и закладывают его в контейнер;

- водонасыщают исходный материал;

- закладывают водонасыщенный исходный материал в СВЧ камеру;

- осуществляют микроволновое воздействие до повышения температуры исходного материала;

- охлаждают исходный материал;

- повторяют цикл процесса “нагрев-охлаждение”;

- отделяют полученный экстракт от отработанного материала.

Данная технология по сравнению с известными традиционными способами экстрагирования обладает следующими преимуществами: объемный, селективный характер поглощения энергии, интенсивный нагрев экстрагируемого исходного материала микроволновым воздействием с плотностью потока мощности не менее 100 мВт/см³, экологичность процесса экстрагирования и возможность его автоматизации.

Однако, несмотря на все преимущества известной технологии с использованием микроволнового воздействия, без принятия специальных дополнительных мер экстрагирование также не достигает максимальной эффективности.

Установлено [2, стр.361], что полнота извлечения полезных веществ и скорость (интенсивность) экстракции из растительного сырья определяются особенностями внутренней микроструктуры и его клеточного строения. Большая часть экстрагированного вещества сосредоточена в малых объемах клеток и внутриклеточных структурах. Клетки растений обладают жесткой стенкой с низкой проницаемостью, а микрокапилляры их снаружи закрыты восковым слоем. Все это создает дополнительное сопротивление в процесс извлечения экстрагируемых веществ.

Целью изобретения является создание способа для более полного ускоренного извлечения полезных веществ при экстрагировании с максимальным сохранением биологической ценности.

Технический результат от использования предлагаемого способа получения экстрактов с использованием электрофизических методов должен заключаться в увеличении выхода полезных веществ на 20-50% при максимальном сохранении биологической ценности выходного продукта, а также сокращении общего времени получения экстрактов в 1,5-2 раза по сравнению с известными способами.

Для более полного извлечения полезных веществ необходимо дополнительно искусственно повысить проницаемость клеточной перегородки, что простым измельчением невозможно достигнуть, а повышение температуры, приводящее к ускорению процесса диффузии, приводит к необратимым потерям биологически активных веществ.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения экстрактов с использованием микроволнового воздействия на первом этапе исходный материал водонасыщают, воздействуя электрическим током повышенной частоты от 9 кГц до 20 кГц в течение времени от 1 до 3 минут, на втором этапе водонасыщенный исходный материал помещают в жидкость с высокими диэлектрическими свойствами и воздействуют микроволновой энергией с плотностью потока мощности не менее 100 мВт/см³ до повышения температуры жидкости до 55С, на третьем этапе получаемый экстракт принудительно охлаждают до температуры 25С и повторяют циклы нагрева и охлаждения многократно в течение времени от 2 часов до 4 часов.

Сущность заявляемого способа получения экстракта с использованием электрофизических методов заключается в последовательном воздействии на обрабатываемое сырье электрофизическими методами: электрическим током повышенной частоты (9-20 кГц) на этапе водонасыщения исходного материала, с последующим помещением его в жидкость с высокими диэлектрическими свойствами (например, спирт) и воздействием микроволновой энергией в установке СВЧ с периодическим повторением циклов “нагрев - охлаждение”.

Предлагаемая технология получения экстрактов с использованием электрофизических методов содержит следующие операции:

- измельчают и закладывают исходный материала в диэлектрический перфорированный контейнер;

- помещают диэлектрический перфорированный контейнер с исходным материалом в диэлектрическую емкость с поверхностными электродами и заливают водой;

- водонасыщают исходный материал воздействием электрического тока повышенной частоты от 9 до 20 кГц в течение нескольких минут до повышения температуры в диэлектрической емкости до 55С;

- закладывают диэлектрический перфорированный контейнер с водонасыщенным исходным материалом в СВЧ камеру и заливают его, например, спиртом;

- осуществляют микроволновое воздействие на водонасыщенный исходный материал, например в спирте, до повышения температуры до 55С;

- охлаждают полученный экстракт до температуры 25С;

- повторяют циклы нагрев до 55С - охлаждение до 25С в течение времени от 2 до 4 часов;

- сливают полученный насыщенный экстракт от отработанного материала.

Из сравнения приведенного перечня операций предложенного способа получения экстрактов с использованием электрофизических методов с перечнем операций известной технологии с использованием микроволнового воздействия, принятой за прототип, видно, что в предлагаемом способе используются все операции прототипа, но существенно изменена операция водонасыщения и введена дополнительная операция заливки водонасыщенного исходного материала жидкостью с высокими диэлектрическими свойствами, например спиртом. Кроме того, в предлагаемом способе получения экстрактов экспериментально получены временные характеристики выполняемых операций, операции, повышающие температуру жидкостей, ведутся только до температуры 55С.

На первом этапе предлагаемого способа получения экстрактов на водонасыщенный исходный материал, помещенный в диэлектрический перфорированный контейнер, воздействуют током повышенной частоты от 9 кГц до 20 кГц с целью активизации процесса водонасыщения. Этот электроконтактный процесс обработки продуктов, известный как электроплазмолиз [2, стр.361], используется при извлечении сока из растительного сырья. В предлагаемом способе за счет воздействия тока повышенной частоты в течение от 1 до 3 минут происходит увеличение клеточной и межклеточной проницаемости, материал становится рыхлым, пористым, что способствует быстрому насыщению его связанной водой и приобретению высоких поглощающих свойств при последующем СВЧ воздействии. При этом разрушение структуры клеток не приводит к качественным изменениям внутреннего содержания вещества. Все это создает в дальнейшем предпосылки для более полного извлечения полезных веществ.

На втором этапе подготовленный водонасыщенный материал помещают в СВЧ установку и заливают, например, спиртом, обладающим более высокими диэлектрическими свойствами.

Диэлектрическое дно СВЧ установки имеет связь с СВЧ генератором с плотностью потока мощности микроволнового воздействия не менее 100 мВт/см³. При включении генератора происходит интенсивный нагрев веществ с высокими поглощающими свойствами в данном случае насыщенный водой на первом этапе исходный материал до температуры 55С.

В отличии от традиционных способов экстрагирования полезных веществ в предлагаемом способе получения экстрактов под действием СВЧ градиент температуры направлен изнутри наружу. При этом температура и давление внутри исходного материала будет выше, чем в жидкости с высокими диэлектрическими свойствами, например спиртовой среды, что создает активный эффект термо- и барродиффузии. За счет перепада температуры и давления, которые внутри нагреваемого водонасыщенного материала выше чем снаружи, например в спирте, и происходит вытяжка веществ в спиртовую среду.

На третьем этапе предлагаемого способа получения экстрактов для еще большей интенсификации и более полного извлечения полезных веществ за счет термодиффузии остаточных сухих веществ, процесс микроволнового воздействия комбинируют с паузами, в которых включают насос для перемешивания и остывания (через теплообменник с водяным контуром), что также играет положительную роль в предлагаемом способе.

Диапазон нагрева и охлаждения спирта находится в пределах от 25С до 55С (см. фиг.). Время процесса экстракции (включая циклы охлаждения) может составлять от 2 часов до 4 часов в зависимости от структуры и свойств закладываемого материала. Образуется осциллирующий температурный режим термодиффузии. Причем все указанные преимущества проявляются тем более существенно, чем труднее извлечение полезных вещества из исходного материала при извлечении их традиционными способами получения экстрактов.

На чертеже представлены температурные режимы процесса второго и третьего этапов способа, из которых следует, что термодиффузия, как активный фактор экстракции, присутствует и при нагреве и при охлаждении.

Режимы и характеристики предлагаемого способа получения экстрактов с использованием электрофизических методов определены экспериментально.

Положительный результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения и реализуемый совместным применением различных электрофизических методов получения экстрактов, определяется перечнем операций совместной взаимосвязанной обработки исходного материала. Раздельное применение указанных способов, также как и одновременное их применение, без введения дополнительных операций над исходным материалом, не дает положительного эффекта. Таким образом, достигаемый положительный результат предлагаемого изобретения не является простой суммой положительных эффектов аналога и прототипа, а представляет собой новое качество, количественная формулировка которого выражается в проценте увеличения выхода полезных веществ с максимальным сохранением биологической ценности выходного продукта, при одновременном сокращении общего времени получения экстрактов.

Технический результат предлагаемого способа и практическая его реализация подтверждены на изготовленном макете экстрактора. В качестве исходного материала последовательно были использованы сухая трава мяты и дубовая щепа. Исходный материал измельчали, помещали в перфорированный диэлектрический контейнер, водонасыщали в воде и, поместив его в диэлектрическую емкость с электродами после заливки водой, пропускали в течение 1 мин (для травы) и 3 мин (для щепы) переменный электрический ток частотой 10 кГц. Температура воды при этом повышалась до 55С. Затем контейнер помещали в СВЧ камеру, заливали спиртом, в результате чего температура исходного материала резко падала, и воздействовали микроволновой энергией от четырех магнетронов типа M152-II до повышения температуры спирта до 55С. На следующем этапе содержание СВЧ камеры охлаждали с помощью насоса и теплообменника до температуры 25С и циклы “нагрев - охлаждение” повторяли в течение 1 часа (для травы) и 2 часов (для щепы), после чего полученный экстракт сливался. Было выявлено, что по сравнению с обычным микроволновым экстрагированием время экстракции сократилось в 2-3 раза, выход полезных веществ увеличился на 50-70%, максимально сохраняются полезные компоненты. Наибольшие преимущества данного способа проявляются при получении масляных экстрактов. На основании представленных материалов можно характеризовать предлагаемый способ получения экстрактов с использованием электрофизических методов как промышленно применимым.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Лукьянчук И.И., Калинин Л.Г., Тучный В.П. Микроволновые технологии в фармации. Микроволновые технологии в народном хозяйстве, внедрение, проблемы, перспективы. Киев-Одесса. 2000 г., стр. 143-147.

2. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов, изд. Пищевая промышленность, - М., 1974 г., стр. 361.