Оптимізація виробництва екстракту з зародків пшениці з використанням інформаційних технологій

Для підвищення ферментативної активності солоду та зменшення втрат крохмалю зерно при пророщенні обприскують сумішшю суперфосфату та сірчаної кислоти. Для цього використовують розчин суперфосфату в воді (10 г на 1 л) і слабкий розчин сірчаної кислоти (0,5-0,8 %).

Пророщення солоду припиняється при нормальному розвитку через 8 днів.

Основні ознаки припинення пророщування:

• паросток досяг величини 3,5-4 мм;

• корінці достатньо розвинулися і досягли довжини 5-6 мм;

• зерна стали солодкими, втратили борошняний смак і при розкушуванні хрумтять;

• солод має приємний огірковий запах;

• корінці зчепилися один із одним, що не дозволяє взяти з купи одне зерно, разом із ним сплетуться кілька зерен;

• наявність амілолітичних  (визначають за методом Вольгемута) та протеолітичних ферментів (визначають за допомогою нінгідринової реакції)

Щойно пророщений солод (зелений) має 43-45 % води, активний і може використовуватися для спиртової екстракції, для тривалого зберігання і використання в міру потреби солод висушують до вологості 3,0-3,5 % [6].

 

Екстракція зародків пшениці

 

Е зародків пшениці забезпечує максимальне вилучення цінних компонентів. В основі цієї Е лежить здатність цінних поживних речовин розчинятися в органічному розчиннику, у ролі якого ми обрали 50 %-ий етиловий спирт. Е розчинником відбувається за допомогою дифузії: молекулярної і конвективної. Молекулярна дифузія – мимовільний процес перенесення речовини, що призводить до встановлення однорідного рівноважного розподілу концентрацій речовин у результаті хаотичного теплового руху молекул, атомів, іонів, колоїдних частинок у газах, розчинах чи твердих з'єднаннях. За допомогою молекулярної дифузії будь-яка однофазна, (гомогенна) система прагне вирівняти концентрації речовин у будь-якій точці системи і перейти в стан термодинамічної рівноваги. Конвективна дифузія на відміну від молекулярної обумовлена ​​рухом фаз в результаті струшування, перемішування, зміни температури та інших зовнішніх впливів. У рідкому або газоподібному середовищі – це основний вид дифузії, який здійснюється за рахунок перемішування всередині даної фази конвективних потоків, що несуть дифундуючі речовини. Його перенесення здійснюється внаслідок переміщення окремих дуже малих (елементарних) обсягів рідкої або газоподібної фази, причому речовини усередині цих елементарних обсягів переносяться за допомогою молекулярної дифузії, характерної для нерухомої фази. Конвективна дифузія протікає швидще, ніж дифузія молекулярна: її швидкість у 10-12 разів вище.

Рушійною силою дифузії є різниця концентрації всередині подрібнених зародків пшениці та поза ними. При змішуванні екстрагованого матеріалу з розчинником відбувається змочування розчинником поверхні частинок матеріалу, заповнення усіх пір структури подрібненої сировини. При цьому розчиняються поживні речовини, що знаходяться у вільному стані на поверхні зруйнованих зародків пшениці. Далі розчинник проникає через клітинні оболонки та розчиняє поживні речовини в незруйнованих і деформованих клітинах. Утворений розчин поживних речовин у розчиннику під дією різниці концентрації рухається до поверхні екстрагованого матеріалу, виходить на його поверхню і переходить у розчинник [7].

Оптимальні умови екстрагування залежать від ступеня подрібнення, температури та часу проведення даного процесу. Найбільш швидко Е поживних речовин проходить, коли зародки попередньо подрібнили, тоді як із незруйнованих клітин процес вилучення цільових компонентів проходить повільно. Тому при підготовці екстракційного матеріалу слід зруйнувати його клітинну структуру, вивільнивши при цьому поживні речовини. Для забезпечення хорошого просування розчинника через компоненти зародків необхідно, щоб розмір часток зруйнованих клітин був від 0,5 до 1 мм і була певна форма частинок – пелюстка, крупка, гранули. Установлено, що для зародків пшениці найбільший вихід екстрактивних речовин – 60 % - має місце при використанні 50 %-го етанолу.

Із ростом температури збільшується частка екстрактивних речовин. Так, при t = 20 °С ступінь виділення вітаміну Е склав 36 %, а при 45 °С – 63 %. Однак, при збільшенні температури слід враховувати лабільність видобутих компонентів і енергетичну доцільність [8, 9].

Далі опрацьовану сировину завантажують у протитечійний шнековий вертикальний екстрактор (рис.1.2)

Рис. 1.2 Вертикальний шнековий екстрактор

Шнековий вертикальний екстрактор складається із трьох основних частин: завантажувальної колони (1), поперечного з'єднуючого шнека (2) та екстракційної колони (3). Завантажувальна колона, у якій також протікає процес екстрагування, являє собою вертикальний циліндр із обертовим усередині нього шнековим валом. Пір'я шнека мають отвори. Горизонтальний вал служить для передачі твердого матеріалу (сировини) в екстракційну колону, яка має вигляд вертикального циліндра, всередині якого обертається шнековий вал.

Сировину, яка екстрагуються, постійно завантажується через люк і рухом шнека регулюється її подача вниз. Горизонтальним шнеком матеріал подається в екстракційну колону, у якій він піднімається вгору шнековим валом. У верхній частині матеріал (шрот) віджимається від надлишків екстрагента, який далі позбавлений екстрактивних речовин, виштовхується з екстрактора. У верхню частину екстракційної колони безперервно подається екстрагент, який рухається назустріч матеріалу. При цьому він постійно насичується екстрактивними речовинами та у вигляді концентрованої витяжки безперервно витікає із верхньої частини завантажувальної колони.

 

Випарювання та згущування екстракту

 

Згущення екстракту проводиться випарюванням у трубчастому вакуум-апараті з вертикальними трубками  (рис. 1.3) при Т=50-52 °С і розрідженні 600 мм.рт.ст. до належної густини. Якщо згущуються витяжки спиртові, то спочатку відганяють спирт при цій же температурі та тиску, не включаючи вакууму, і лише після відгону його основної кількості включають вакуум, що було зроблено при виробництві екстракту з зародків пшениці.

Рис. 1.3 Трубчаста вакуум-випарна установка

 

Трубчастий-вакуумний апарат із вертикальними трубками має циліндричний корпус, у нижній частині якого на відстані 0,75 м один від одного встановлено дві трубні решітки А, рівні діаметру корпусу. В отворах трубних решіток знаходяться численні трубки діаметром 50-75 мм. У середині трубної решітки є широка труба діаметром до 500 мм, яка називається циркуляційною трубою В. Гріюча пара надходить у простір між решітками та трубками через штуцер 1 і нагріває рідину, що знаходиться всередині трубок. Конденсат виводиться через штуцер 2, а неконденсовані гази (повітря) – через штуцер 3. Витяжка для випарювання надходить в апарат через штуцер 4. Після згущення витяжку спускають через трубу 5. Рідина, яку випарюють,  заповнює весь простір під нижньою решіткою, і на деякій висоті всі трубки, у тому числі і циркуляційну трубу. У тонких трубках випарювана рідина дуже швидко закипає. Утворені в ній бульбашки пари, що мають малу відносну густину, піднімаються вгору, захоплюючи за собою і рідину, яка з силою викидається у простір, зайнятий парою. Тут внаслідок раптового збільшення площі перетину швидкість руху рідини різко зменшується і рідина падає вниз, стікаючи в циркуляційну трубу, а пара, звільнившись від крапельок рідини, спрямовується у верхню частину корпусу і звідти через паровідвідну трубу 6 –  у конденсатор. Наявність циркуляційної труби забезпечує кругообіг рідини, яку випарюють. Площа поперечного перерізу циркуляційної труби становить зазвичай 75 % всієї площі поперечного перерізу трубок [10].

 

Фасування

 

Упаковка –  це засіб (або комплекс засобів), що забезпечує захист продукції (у даному випадку екстракту) від пошкоджень і втрат, навколишнього середовища, забруднень [11].

Тарою для спиртового екстракту з зародків пшениці служить скляний флакон із гвинтовим горлом та пластмасовою кришкою відповідно до ГОСТу 17768-90. Засоби лікарські. Упаковка, маркування, транспортування і зберігання.

Екстракт до флакону подається за допомогою розливно-закупорювальної машина для питних рідких лікарських препаратів (рис. 1.4).

Дана розливно-закупорювальна мaшина являє собою вакуумний апарат, призначений для розливу і закупорювання настоянки, сиропів у малих дозах у фармацевтичних заводах. Машина автоматично здійснює такі функції, як розвантаження пляшок, подача, заповнення, закупорювання, передача і т.д. Всі деталі обладнання, що контактують із препаратами, виготовлені з нержавіючої сталі. [12].

 

Рис. 1.4 Розливно-закупорювальна машина для питних рідких лікарських препаратів

 

РОЗДІЛ 2. ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ЕКСТРАКТУ З ЗАРОДКІВ ПШЕНИЦІ

 

 

2.1. Вплив суміші  солей KCl та CaCl2 різної концентрації на пророщування зерен пшениці

 

 

Для нормальної життєдіяльності як рослинних, так і тваринних організмів у навколишньому середовищі має бути певне співвідношення різних іонів. Чисті розчини солей одного будь-якого іона (К+, N+, Са2+, Mg2+) надають шкідливий вплив на живий організм, тобто є отруйними. Рослини, що розвиваються на таких розчинах, набувають нерідко пригнічений вигляд, припиняють ріст, стінки клітин у зоні росту ослизнюються, руйнуються, а потім гинуть. При культивуванні, наприклад, зародків риб у розчині NaCl розвивалися потворні одноокі особини. Схожі результати були отримані на коренях рослин. Так під час пророщування зерен із додаванням чистих розчинів КС1 або СаС12 на коренях з'являлися здуття, а потім коріння відмирали. У змішаних сольових розчинах, що містять два різних катіона, отруйна дія не спостерігається, а навпаки ріст проростків стає інтенсивнішим, збільшується кількість амінокислот та вітаміну Е в зародку. Пом'якшуючий вплив, який чиниться одним катіоном на дію іншого катіона, називають антагонізмом іонів. Антагонізм іонів проявляється як між різними іонами однієї валентності (наприклад К+, Na+), так і між іонами різної валентності (К+ і Са2+). Розчини, які характеризуються певним співвідношенням катіонів, сприятливим для росту і розвитку організмів, називають врівноваженими. До природних врівноваженим розчинів відносяться, наприклад, морська вода, плазма крові. Природа антагоністичної дії іонів вивчена ще недостатньо, але вважають, що явище засноване на впливі окремих іонів на фізико-хімічні властивості протоплазми і коагуляцію колоїдів. Несприятливий вплив підвищеної концентрації одного катіона може виявлятися і в природних умовах (ґрунті) та має враховуватися при внесенні добрив [13, 14].

Нами було запропоновано проводити пророщування зерна з додаванням до води суміші солей KCl та CaCl2 різної кількості та знайти оптимальну концентрацію, за якої корінці та проростки досягають максимальної довжини та визначити вміст вітаміну Е в тому екстракті, який був виготовлений із зародків пшениці, проростки та корінці якого були найдовшими. При позитивних результатах, доцільно додавати названі солі під час пророщування зерна, із якого виготовлятиметься екстракт із зародків пшениці.

Калій здійснює позитивний вплив на фізичний стан колоїдів цитоплазми, підвищуючи цим самим їх здатність до набухання та в'язкість, що має важливе значення для нормального обміну речовин у клітинах. Також регулює мембранний потенціал клітин і потік речовин через них, сприяє накопиченню вітамінів у мембранах та підвищує активність ферментів, що беруть участь у вуглеводному обміні. [15, 16].

Потреба в кальції проявляється в найбільш ранні терміни росту, він необхідний для побудови рослини. Відсутність кальцію пригнічує переробку та засвоєння запасних поживних речовин (крохмалю, білків), які використовуються проростками, молодим листям і пагонами. Він регулює водний баланс, забезпечує нормальні умови для розвитку кореневої системи рослин.

Хлор бере участь в енергетичному обміні рослин, активуючи окисне фосфорилювання. Він необхідний для утворення кисню в процесі фотосинтезу ізольованими хлоропластами, стимулює допоміжні процеси фотосинтезу, насамперед ті з них, які пов'язані з акумулюванням енергії. Xлор позитивно впливає на поглинання коренями кисню, калію та кальцію. Важливе значення має його робота в парі з K+, завдяки якій підсилюється плив названого катіона, а ще аніон хлору контролює водний баланс, стежить за балансом катіонів і транспортом у рослині [17].

Для дослідження впливу суміші солей KCl та CaCl2 потрібно:

• зважити 40 г зерен пшениці та промити їх водою (рис. 3.1), ті зерна, які спливуть до верху посудини, видалити;
• налити:
• у ЧП № 1 та № 2 по 20 мл чистої водопровідної води;
• у ЧП № 3 та № 4 по 16 мл розчину KCl концентрацією 4,4 г/л та по 4 мл розчину СаСl2 концентрацією 3,4 г/л;
• у ЧП № 5 та № 6 по 16 мл розчину KCl концентрацією 3,3 г/л та по 4 мл розчину СаСl2 концентрацією 2,55 г/л;
• у ЧП № 7 та № 8 по 16 мл розчину KCl концентрацією 2,2 г/л та по 4 мл розчину СаСl2 концентрацією 1,65 г/л;
• помістити ЧП в темну шафу з кімнатною температурою (близько 20-21 °С) на сім діб, роблячи перемішування перші два дні кожні 6 годин, а наступні 5 днів – кожні 8 годин;
• через 7 днів виміряти дожину проростків та корінців, відрізати їх від зернятка та зважити на електронних вагах, розрахувавши  середнє значення одержаних результатів (саме зернятко не викидати), для цього береться по десять зернівок із кожної ЧП.

Ми використовуємо по дві ЧП на кожний дослід для того, щоб результати вийшли більш достовірними. Із результатів двох ЧП береться середнє значення.

Для приготування екстракту з зародків пшениці потрібно:

• зважити 5 г солоду, вирощеного без додавання солей;
• подрібнити солод до довжини часточок 0,5-1 мм та помістити порцію подрібненого солоду в посудину з глибоким дном;
• додати до подрібненого солоду 55 мл 50 %-го етанолу та перемішувати протягом 5-7 хв, дати настоятися екстракту 7 діб (настоювання здійснюють за кімнатної температури 20-21 °С);
• відфільтрувати розчин від подрібнених зародків пшениці (рис. 3.6).