Электроплазмолиз

Электроплазмолиз относится к процессам электроконтактной обработки. Электроплазмолиз предназначен для интенсификации прессового способа извлечения сока из рас­тительного сырья.

В последнее время сфера применения электроплазмолиза расширилась за счет его использования при обработке животных тканей и других объектов. Обширные ис­следования процесса стали возможны после того, как были сформулированы основные положения плазмолитической теории в отношении сокоотдачи, суть которых сводится к следующему:

сокоотдача растительного сырья зависит от первоначальной степени проницаемости протоплазменной оболочки и от способ­ности последней противостоять внешним воздействиям в про­цессе предварительной обработки и прессования. Поэтому лю­бые внешние воздействия, направленные на повреждение кле­точных структур и увеличение их проницаемости, должны при­водить в итоге к повышению сокоотдачи.

Содержание сока в плодах и овощах составляет 90 – 95%, однако при их переработке в условиях производства—выход сока часто составляет лишь 50—60%.

Электроплазмолиз — обработка сырья электрическим током низкой и высокой частоты, в результате которой происходит плазмолиз протоплазмы. Сущность метода заключается в разрушающем воздействии тока на белково-липидные мембраны растительных тканей с сохранением целостности клеточных оболочек. Электроплазмолиз дает наибольший эффект при получении препаратов из свежего сырья растительного и животного происхождения. При этом получаемые вытяжки обогащены действующими веществами и содержат лишь небольшое количество сопутствующих веществ

Рис. 1. Прохождение элек­трического тока в клетке (а) и эквивалентная электрическая схема клетки (б);

- сопротивление и - емкость внеклеточной среды; - сопротивление внутриклеточной среды; - емкость мембраны клетки.

Диэлектрические свойства биологических тканей в большой ме­ре определяются свойствами клеток. Каждая клетка окружена мембраной, обладающей поверхностной емкостью в пределах 0,1—3 мкФ/см² и поверхностным сопротивлением до 10 000 Ом-см². Межклеточная и внутриклеточная среда имеет сопротивление 100—300 Ом-см и диэлектрическую проницаемость около 80. На рис. 1 приведены схема прохождения электрического тока в клетке и эквивалентная электрическая схема клетки. При постоян­ном напряжении мембрана ведет себя как изолятор и ток может протекать только во внеклеточной среде. Под действием постоян­ного напряжения может происходить и явление электрофореза — переноса электрически заряженных частиц (клеток, макромолекул).

Существует множество методов повреждения оболочек, при­водящих к увеличению выхода сока: механические, термические, ферментные, лучевые и др., однако электрический метод имеет ряд существенных преимуществ перед другими, в первую оче­редь он отличается простотой аппаратурного оформления и минимальным временем обработки.

Электроплазмолиз в отличие от термоплазмолиза не вызы­вает разрушения клеточных стенок и поэтому исключает пере­ход пектиновых веществ в сок, а также способствует разрыву плазменных оболочек на более крупные частицы, которые легко задерживаются клеточными стенками при извлечении сока, что положительно сказывается на выходе сока.

Эффективность электроплазмолиза зависит от ряда факто­ров:

1. градиента напряжения,

2. длительности обработки,

3. темпера­туры,

4. электрофизических свойств сырья.

Конечный эффект электроплазмолиза не зависит от частоты электрического тока. Выбор частоты предопределяется в основ­ном электрохимическими соображениями .

Электропроводность растительной ткани при электроплазмо­лизе увеличивается, так как дискретность электрических свойств клетки в процессе ее разрушения сглаживается. Вследст­вие этого значения тока при электроплазмолизе должны быть экстремальными, при этом максимум тока соответствует полному разрушению протоплазменных оболочек.

Это положение исполь­зовано в качестве метода исследования процесса электро­плазмолиза различных видов сырья путем осциллографирования. Анализ осциллограмм дает возможность определить время, ко­торое проходит от начала пропускания тока до достижения им максимальной величины.

Классификация электроплазмолиза по градиенту напряжения

1. При небольших градиентах напряжения (5—15 кВ/м) проис­ходит электротермоплазмолиз. Сравнительно быстро нагревается протоплазма клеток, а температура сока увеличивается незна­чительно.

Следует подчеркнуть специфичность влияния электроплазмо­лиза на протекание диффузионных процессов. Установлено, что приведенный коэффициент диффузии сахара на электроплазмолизованной свекловичной ткани примерно в 2 раза выше, чем термоплазмолизованной.

2. При невысоком градиенте напряжения (40 кВ/м и ниже) жизненные функции клетки могут быть нарушены не пол­ностью и частично восстанавливаются. Однако для полного плазмолиза в этом случае достаточно незначительного механического воздействия. Такой электроплаз­молиз получил название коацервативного.

3. При градиен­тах напряжения 170—200 кВ/м при экспозиции 0,001—0,002 с существует се­лективный электроплазмолиз.

4. Избирательность подогрева протоплазмы обусловлена тем, что протоплазменные оболочки являются основным сопротивлением ткани электрическому току. При таком характере подвода энергии температура всей массы продукта изменяется незначительно (в пределах 1°С). В развитие этой идеи был предложен импульс­ный электроплазмолиз, который протекает при высоких значениях градиента напряжения 1400—1500 кВ/м при микросекундной продолжительности импульса .

При импульсном электроплазмолизе разрываются протоплазменные оболочки и происходит коагуляция протоплазмы в результате приложения импульсного поля высокой напряженности.

Специфика импульсного воздействия сказывается на форме разрушения живой протоплазмы клеток. При таких воздействиях протоплазма полностью распадается, в то время как при воздей­ствии переменного тока частотой 50 Гц она может сохранять свою целостность и после гибели.

Результаты экспериментальных исследований

импульсного электроплазмолиза растительного сырья

Выход сока из столовой свеклы при импульсном плазмолизе с прессованием мезги при прочих равных условиях зависит от давления и степени измельчения (рис. 2).

Из графика (см. рис. 2, а) видно, что при более тонком измельчении выход сока с увеличением давления возрастает. Однако максимальный выход сока при обычном прессовании значительно меньше, чем при импульсном плазмолизе.

Аналогичная картина наблюдается при импульсном плазмолизе яблок. Так, из яблок при удельном давлении порядка Па и высокой степени измельчения выход сока составляет 67-68%. Совместное воздействие на мезгу того же порядка и электрических импульсов позволяет увеличить выход сока до 78% практически независимо от степени измельчения.

Процесс прессования растительной ткани на гидравлических прессах достаточно длителен, поэтому интересно выяснить, в какой промежуток времени необходимо вести импульсный плаз­молиз. На рис. 2,6 приведены графики, показывающие влия­ние времени начала обработки электрическими импульсами на выход сока. Окончательный выход сока не зависит от начала электрической обработки (остается одинаковым), однако, варь­ируя периодами обработки, можно менять скорость процесса на различных его этапах.

Характерным для электроимпульсного плазмолиза является то, что выход сока, а следовательно, и глубина самого процесса плазмолиза в значительно меньшей степени зависят от энергии импульса (см. рис. 2,в), чем от градиента напряжения (см. рис. 2,г). По-видимому, здесь происходит прямое действие электрического тока вместе с силовым воздействием на структуру протоплазмы.

1,5 3,0 4,5 Е, 250 500 750

Рис. 2. Зависимость выхода сока из столовой свеклы от:

а — степени измельчения и обработки электрическими импульсами при удельном давлении: I — 4-10⁵ Па; 2— 6-10⁵ Па; 3 — 8 10⁵ Па; 4 — 8-10⁵ Па (обработка мезги высоковольтными им­пульсами при W= 500 Дж и Е = 4,5 кВ/см); б — от времени начала электрооб­работки (Е = 4,5 кВ/см: =500 Дж; р = 8-10⁶ Па); в — зависимость сум­марной энергии пропущен­ных через мезгу импульсов (Е = 3 кВ/см, 1/dt = 0,166, = 30 мин, t = 10 мин) от общего выхода сока; г — зависимость дополнительно­го выхода сока от величины напряженности электриче­ского поля при различной суммарной энергии импуль­сов: 1— 2000 Дж; 2 — 1000 Дж; 3 — 500 Дж; 4 — 250 Дж.

Электрический ток ускоряет диффу­зионные процессы. На этом основан способ обра­ботки свекловичной стружки в постоянном электрическом поле, позволяющий получить диффузионный сок высокой чистоты. Батарея состоит из пяти электро­диффузоров. Сам электродиффузор представляет собой ди­электрическую емкость (рис. 3), разделенную нейтральными мембранами на три камеры: катодную, среднюю и анодную.

Рис. 3. Схема электродиффузионной установки:

/—V— номера электродиффузоров: 1— емкость; 2 — нейтральная мембрана; 3, 4, 5 — соответственно камеры — анодная, средняя и катодная; 6 — электрод.

В качестве электродов использован графит и нержавеющая сталь. Диффузионная батарея может работать в прямоточном, противоточном и смешанном режимах. Соотношение жидких и твердых фаз 1:1 и 1:1,3. При такой обработке значительно повышаются качественные показатели сока. Очень важ­ной особенностью электрической обработки является удержание несахаров в клетках окрашенных веществ на поверхности свек­ловичной стружки, а также использование электродиализа для удаления электролитов.