Фізико-хімічні процеси, як основа харчових технологій

Фізико-хімічні процеси, як основа харчових технологій.

1. Процес екстрагування продовольчої сировини

2. Сорбційні процеси та їх застосування.

Термінологічний словник

Екстракція – Процес добування з твердої або різної складної речовини одного чи кількох компонентів.

Сорбція – Процес поглинання певним тілом газів, пари або розчинених рідин з навколишнього середовища

Кристалізація – Процес виділення речовини із розчину, розплаву або пари в вигляді кристалів.

Ректифікація – Процес

перегонки, за допомогою якого з рідкої суміші виділяють невеликі кількості небажаних домішок.

1. Процес екстрагування продовольчої сировини

Одним з найбільш розповсюджених способів вилучення корисних речовин із харчової сировини є екстрагування.

Екстракцією Називається вилучення зі складної за своїм складом речовини одного або декількох компонентів за допо­могою розчинника, що має вибіркову здатність розчинити тільки речовину або речовини, що підлягають екстрагуванню.

Екстракція основана на законі розподілу: вилучення речо­вини тим повніше, чим більше коефіцієнт його вилучення відрізняється від одиниці.

Екстракція може бути однократною, коли екстрагент до-д. кться в один прийом, і дробовою — додавання екстрагенту проводиться порціями в декілька прийомів. Для оцінки ступе­ня вилучення необхідно порівняти отриману масу речовини з теоретично можливою.

У харчових виробництвах екстрагуванню частіше підда­ють сировину рослинного походження, наприклад фрукти, насіння олійних культур, цукровий буряк і т. п. За фізичними властивостями ця сировина відноситься до твердих тіл.

Говорячи про визначення екстракції, треба зазначити, що під нього підпадають і процеси розчинення. Різницею є тільки те, що при розчиненні тверда речовина може перейти в розчин цілком, а при екстракції завжди залишається істотна частина твердого тіла, нерозчинна в екстрагенті.

Рослинну сировину перед екстрагуванням дроблять або розрізають на дрібні шматочки чи стружку. При цьому части­на клітин на новоутвореній поверхні ушкоджується і внутрішньоклітинна речовина відразу переходить у екстра­гент. Більшість клітин у шматку залишаються цілими, а речо­вина, що вилучається, дифундує через клітинні мембрани в ек­страгент. Таким чином, основна частина речовини з рослинної сировини в екстрагент переноситься за рахунок дифузії.

Процес екстрагування можна здійснити, зануривши підго­товлену сировину в рідкий екстрагент. У цьому процесі кон­центрація речовини в сировині безупинно зменшується, а в ек­страгенті збільшується. Процес закінчиться, коли концент­рація зрівняється. Швидкість процесу значно зростає при пе­ремішуванні.

Інший тип процесу екстрагування реалізується при фільтруванні екстрагента через нерухомий шар сировини. Процес цей несталий і при визначеній тривалості може закінчитися практично повним вилученням речовини із сиро­вини.

Існує також процес екстрагування, при якому сировина і екстрагент безупинно переміщаються в протитоку. При цьому в кожнім перетині апарату встановлюється постійна різниця
концентрацій, що відповідає стаціонарному режимові.

У загальному вигляді процес екстрагування рослинної си­ровини можна розбити на чотири стадії:

1) проникнення екстрагента в пори рослинної сировини;

2) розчинення вилучаємої речовини екстрагентом;

3) дифузійний перенос вилучаємої речовини до поверхні частки сировини;

4) перенос вилученої речовини з поверхні сировини в рідку фазу — екстрагент.

При екстрагуванні соковитої рослинної сировини врахо­вують швидкість переносу усередині шматка (внутрішня ди­фузія) та швидкість переносу з поверхні в навколишню рідину (зовнішня дифузія). У залежності від величини опору процес може протікати по-різному.

У першому випадку швидкість зовнішньої дифузії переви­щує швидкість внутрішньої. Швидкість внутрішньої дифузії визначається таким рівнянням:

М=l×Р×АС×T,

Де М — коефіцієнт внутрішньої дифузії, м2/с;

L — визначальний розмір, м;

Р— Сумарна поверхня сировини, м2;

АС — різниця між середньою концентрацією речовини усередині сировини і середньою концентрацією речовини в розчині, оточуючому сировину, кг/м3;

T — тривалість процесу, с.

Цей процес здійснюється в апаратах з активним перемішу­ванням фаз. Якщо говорити про внутрішню дифузію, то треба нагадати про рослинну клітину, яка містить внутрішньо­клітинну рідину (вакуоль), оточену складною оболонкою. Ос­тання складається з двох мембран, між якими знаходиться протоплазма. Перенос речовини з внутрішньо-клітинної ріди­ни за межі клітини здійснюється за рахунок молекулярної ди­фузії через цю багатошарову оболонку. Рослинні клітини щільно оточені іншими клітинами. Речовина з внутрішніх клітин повинна дифундувати через ці клітини. Максимально спрощена картина переносу усередині подрібненої сировини свідчить про великій опір внутрішньої дифузії. Для зменшен­ня опору подрібнену сировину піддають тепловій або хімічній обробці, а іноді впливові електричного струму. В результаті цих обробок протоплазма клітин денатурує і різко зростає проникність оболонки.

Із-за малих розмірів клітин (5—50 мкм) і ще більш малих розмірах пор, по яких переноситься речовина, швидкість мо­лекулярної дифузії навіть після попередньої обробки сирови­ни набагато менша, ніж швидкість молекулярної дифузії цієї ж речовини в чистій речовині. Тому О Називають Коефіцієнтом Масопровідиості, Який входить у дифузійний критерій Біо.

2. Сорбційні процеси та їх застосування

Процеси поглинання газів або розчинених речовин твердими матеріалами або рідинами можуть протікати за різнимиі ні. імами і носять загальну назву Сорбції. Сорбція може бу-іи чотирьох типів: абсорбція, адсорбція, хемосорбція ікапілярна конденсація (розділ 3.2.1).

Сполучення абсорбції і десорбції дозволяє створити без-перервне промиї лове виробництво з багатократним викорис-ганням рідкого поглинача і виділенням в чистому вигляді по­глиненої речовини з парогазової суміші.

Процеси абсорбції і адсорбції зовнішньо схожі. Різниця між ними заключається в тому, що в одному випадку речови­на поглинається усім об’ємом рідини, а в іншому — тільки по­верхнею твердого поглинача — адсорбенту. Для характеристики продуктів важливо знати не тільки, яку кількість газу, парів здатні вони поглинути в різних умо­вах зберігання, але і як впливають поглинені речовини на вла­стивості продуктів. При сорбції і десорбції парів і газів відбу­вається зміна якості продуктів. Найбільше практичне значення мають поглинання і віддача продуктами води. Зволоження про­дукту, тобто сорбція ним водяних парів, відбувається тоді, ко­ли тиск водяних парів у повітрі перевищує тиск водяних парів на його поверхні, який виникає в результаті випару частини вільної води самого продукту. Поглинання вологи продуктом у цьому випадку відбувається як за рахунок утворення тонкого шару на його поверхні (адсорбція), шляхом об’ємного погли­нання (абсорбція) гідрофільними речовинами, так і в резуль­таті капілярної конденсації (при наявності макро – і мікро-капілярів). Віддача вологи (десорбція) продуктом відбу­вається при більшому тиску водяних парів на поверхні про­дукту в порівнянні з тиском водяного пару в повітрі. Процес зволоження і віддачі продуктом відбувається до придбання ним рівноважної вологості, при якій тиск водяного пару у повітрі і на поверхні продукту становиться рівним.

Тиск водяних парів у повітрі залежить від його температури і абсолютної вологості, тобто відношення фактичної їх кількості, до тої, яка необхідна для його насичення при даній температурі.

У харчових виробництвах процеси абсорбції і адсорбції займають значне місце. Наприклад, при виробництві спирту з двоокису вуглецю, який утворюється в результаті бродіння, абсорбцією уловлюються пари спирту, а потім очищений газ зріджують для використання в інших виробництвах.

Процес насичення мінеральної води та інших багаточи-сельних напоїв двоокисом вуглецю, в спеціальній технології названий Сатурацією, В дійсності є класичним прикладом про­цесу абсорбції.

Адсорбція використовується для очищення водно-сиирто-воі суміші в лікеро-горілчаному виробництві, при очищенні і стабілізації вин, соків та інших напоїв. У буряковоцукровому виробництві абсорбцією забезпечується основна очистка ди­фузійного соку в процесі його сатурації, а також знебарвлення цукрових сиропів перед кристалізацією.

В якості адсорбентів застосовуються тверді пористі речо­вини з великою питомою поверхнею. Вони характеризують­ся адсорбційною здатністю, що визначається концентрацією ‘ірбенту в одиниці маси або об’єму адсорбенту. В якості адсорбентів застосовуються активне вугілля, силікагель, це­люлозна маса, кізельгур, активовані сірчаною кислотою гли­ни і т. ін.

Розрізняють фізичну адсорбцію і хімічну, яку часто нази­вають Хемосорбцією. Фізична адсорбція обумовлена взаємним притяжінням молекул адсорбенту і адсорбовту під дією сил Ван-дер-Ваальса і не супроводжується хімічною взаємодією адсорбованої речовини з поглиначем. При хімічній адсорбції в результаті хімічної реакції між молекулами поглиненої речо­вини і поверхневими молекулами поглинача виникає хімічний зв’язок. Механізм адсорбції досить складний, а фактори, які впливають на хід процесу, різнорідні.

Сорбційні властивості проявляються в харчових продук­тах в їх здатності поглинати пари і гази з навколишнього сере­довища і мають велике значення, наприклад, для вибору умов зберігання харчових продуктів. У результаті сорбції продукти набувають при зберіганні небажаного стороннього запаху, зволожуються за рахунок пари води із повітря. Сорбція воло­ги погіршує якість харчових продуктів. Печиво, вафлі і сухарі розм’якшуються, втрачають крихкість, розчинений кофе, бо­рошно, сіль і цукор злежуються, карамельні вироби при ви­сокій відносній вологості спочатку липнуть, а потім втрачаю п, форму і течуть.

Десорбція вологи із продуктів також несприятливо впливає на їх якість. В результаті випарювання змінюється форма, кон­систенція продукту, відбувається втрата маси (усушка сирукипіння, додають цукор-пісок, попередньо просіяний черс:і си­то з магнітоуловлювачсм, доводять до кипіння і повного роз­чинення цукру та кип’ятять протятої* 2–3 хв. У підготовлено­му сиропі перевіряють масову частку сухих речовин за допо­могою рефрактометра з ціною ділення не більше 0,2 %, Потім фільтрують.

На основі цукропатокових сиропів готуються мармеладні і цукерні маси, карамель та ін. Цукор — кристалічна речовина. В харчових продуктах цукор знаходиться в аморфному і рідкий — у кристалічному стані. Для перетворення кристалічної речо­вими в аморфну необхідно зруйнувати кристалічну решітку шляхом розчинення або розплавлювання, а потім розплавлену масу швидко охолодити. Втрачаючи швидкість руху при охо­лодженні, молск! ули цукру не встигають зібратися в структу-ровану решітку, внаслідок чого маса здобуває однорідну аморфну структуру. Цукор, що має в молекулі 8 гідроксиль­них груп, легко перетворюється в аморфну речовину, однак це перетворення можливо лише при умові уповільненого руху молекул. Для цього, наприклад, при виробництві карамелі підвищують в’язкість цукрового сиропу шляхом уварювання його до вологості 1—3 %.

Аморфний стан нестійкий. З часом у продуктах все ж відновлюється кристалічна решітка, вироби оцукрюються. Особливо швидко оцукрюються карамель та інші вироби з по­верхні навіть при незначному їх зволоженні. Зовнішньо оцу­крювання карамелі проявляється в утраті нею прозорості.

Будучи кристалічною речовиною, сахароза може виділя­тися у вигляді кристалів тільки з пересичених розчинів. От­же, для можливості кристалізації сахарози необхідно створю­вати пересичення її в розчинах. Пересичені розчини нестійкі, і з часом зайво розчинена сахароза виділиться у вигляді кри­сталів. Щоб довести розчин сахарози до пересиченого стану, створити умови для створення центрів кристалізації і здійснити ріст кристалів шляхом відкладення на їхній поверхні все нових і нових кількостей сахарози, що кристалізується, засто­совується уварювання. Вміст сахарози в розчині залежить від коефіцієнта пересичення, він зростає з підвищенням темпера­тури і виражається масовим відношенням розчиненого цукру до чистої води в розчині У присутності нецукрів розчинність значно збільшується і визначається Коефіцієнтом насичення (відношення коефіцієнта розчинності сахарози Н В даному розчині, що містить нецукри, до розчинності чистої сахарози) при тій же температурі.

Розчин, що містить цукру більше, ніж у насиченому роз­чині, називається Пересиченим. Ступінь пересичення розчину вимірюється Коефіцієнтом пересичення, Що показує, у скільки разів у даному розчині на одиницю води приходиться цукру більше, ніж у насиченому розчині при тій же температурі,

Кристал цукру являє собою комбінацію шести кристало­графічних форм, має властивість вектор і альності, тобто неод­наковості властивостей у різних напрямках. Ріст кристалів відбувається не миттєво, а з деякою швидкістю, що нази­вається швидкістю кристалізації, яка характеризується ко­ефіцієнтом, що визначає кількість сахарози в міліграмах, що відклалася з пересиченого розчину в секунду на 1 м2 поверхні кристала.

Кристалізація цукру зв’язана з переміщенням маси й відноситься до дифузійного процесу, рушійною силою якого є різниця концентрації сахарози в розчині і на поверхні крис­талів. Звичайно кристали цукру рухаються в міжкристальній рідині, на їхній поверхні утворюється прикордонний шар, швидкість якого стосовно поверхні кристалів близька до нуля, і, отже, масообмін у прикордонному шарі може відбуватися тільки шляхом дифузії. Очевидно, що прикордонний шар і чи­нить опір при кристал ізації.

Крім того, перехід цукру з прикордонного шару безпосе­редньо до кристала також пов’язаний з подоланням деякого опору. Таким чином, швидкість кристалізації є функцією двох процесів, що протікають одночасно, — розчинення і росту кри­сталів цукру шляхом сумісних перетворень.

Використана література:

1. Общая технология пищевых производств /Под ред. Ковалевской Л. П. -М.: Колос, 1993. -384с.

2. Стабников В. П., Остапчук Н. В. Общая технология пищевых продуктов. – Киев, Вища школа. 1920-707 с.

3. Технология пищевых производств /Поду ред. Ковалевской Л. П. – М.: Колос, 1997.-707 с.

4. Технология кондитерских изделий / Под ред. Маршалкина Г. А. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. – 447 с.

Реферати

Реферати :

Ви прочитали: "Фізико-хімічні процеси, як основа харчових технологій"
Читати далі