ВведениеСовершенствование современных технологий производства продуктов питания тесно связано с расширением ассортимента за счет переработки не­традиционного сырья, переходом от использования искусственных пищевых добавок к натуральным, об­ладающим биологической активностью, разработкой специализированных, функциональных продуктов. Одним из основных направлений государственной политики в области здорового питания является соз­дание широкого ассортимента гастрономически при­влекательных, сбалансированных по составу, безо­пасных пищевых продуктов, обогащенных жизненно важными компонентами.Основу многих таких продуктов питания состав­ляют экстракты из плодово-ягодного и лекарственно-технического сырья, поскольку такое сырье содер­жит широкий комплекс аминокислот, белков, вита­минов, минеральных веществ и др.Таким образом, очень важным для кардинальных изменений в объеме и ассортименте выпуска пище­вых продуктов является комплексное решение во­проса снабжения экстрактами производств, разраба­тывающих новые виды продуктов, богатых биологи­чески активными веществами [1].Традиционный способ получения экстрактов – настаивание. Процесс настаивания растительного сырья является многостадийным. При этом продол­жительность процесса составляет 10...28 сут. при на­стаивании в аппаратах или бочках, а в экстракцион­ной установке до 2...4 сут., что не удовлетворяет с точки зрения создания современных машинных и ре­сурсосберегающих технологий [2].В процессе производственной деятельности ре­сурсы предприятия занимают одно из центральных мест, поэтому вопрос ресурсосбережения и опреде­ления оптимального соотношения ресурсов на пред­приятии очень актуален в настоящее время [1].Экстрагирование плодово-ягодного сырья в ап­парате с вибрационной тарелкой обычно позволяет получить экстракты с содержанием сухих веществ 2…3,5 % массовых (далее % масс.), используя в качестве экстрагента воду [3, 4]. При использовании водно-спиртовых растворителей содержание сухих растворимых веществ в экстрактах выше [5].Получение концентрированных экстрактов обыч-но осуществляется путем упаривания под вакуумом. Процесс энергоемкий, поэтому всегда возникает альтернативное предложение – подавать на упаривание более концентрированный экстракт. В данной статье приведены результаты решения этой задачи путем многократного использования экстракта в качестве растворителя при переработке замороженного ягодного сырья в поле низкочастот­ных механических колебаний, создаваемых вибрационной тарелкой. Поэтому целью работы является изучение метода насыщения растворителя путем многократного экст­рагирования им замороженного ягодного сырья.  Объекты и методы исследованийВ качестве объекта исследований выбраны ягоды брусники, благодаря особенностям химического со­става являющиеся перспективным сырьем для раз­личных от­раслей пищевой промышленности [6]. В качестве растворителя – вода и водно-спиртовая смесь с содержанием этилового спирта 40 % об.Для экстрагирования использовался вибрацион­ный аппарат периодического действия (рис. 1). В аппарат загружали замороженные при температуре –18 0С ягоды и заливали воду при комнатной темпе­ратуре. При водно-спиртовом растворителе заливали воду, затем необходимое количество этилового спирта 95 % объемных (далее % об.) при комнатной температуре. Весовое соотношение сырья и экстра­гента составляло j = 0,4 и 0,25. В аппарат вводилась перфорированная отверстиями диаметром do = 2,5*10-3, 4*10-3 и 5*10-3 м тарелка толщиной 3*10-3 м. Соотношение фаз и диаметр отверстий выбраны на основании проведенного литературного обзора [6–8] и по результатам предварительных экспериментов. Диаметр тарелки 142*10-3 м, диаметр аппарата 146*10-3 м, площадь свободного сечения тарелки 16,5 %. На тарелке по периферии установлена в сто­рону дна отбортовка высотой 14*10-3 м. Тарелка ус­танавливалась на расстоянии (45…48)*10-3 м от плоского дна аппарата и приводилась в возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости с частотой 10 Гц и амплитудой 14*10-3 м. Частота колебаний тарелки выбрана по результатам предварительных экспериментов, амплитуда – на основа­нии проведенного литературного обзора [7–9]. Экстрагирование велось в течение 10–25 мин до установления постоянной концентрации сухих веществ в экстракте. Полученный экстракт сливался самотеком и процеживался через набор сит с размером ячеек: 1,7*10-3; 1,25*10-3; 1*10-3; 0,63*10-3; 0,5*10-3; 0,4*10-3; 0,315*10-3; 0,2*10-3 м для удаления кусоч­ков шрота, семян. Затем экстракт фильтровался че­рез фильтровальную бумагу под вакуумом и далее использовался как экстрагент для получения экс­тракта более высокой концентрации.    Рис. 1. Схема лабораторного экстрактора с вибрацион­ной тарелкой Вибрационный экстрактор (см. рис. 1) состоит из цилиндрического корпуса 1, плоского днища 2, уст­ройств ввода 3 и вывода фаз 7. В корпусе установлен шток 4 с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости, на котором же­стко закреплена горизонтальная перфорированная тарелка 5, снабженная по периферии отбортовкой. Возвратно-поступательные движения штоку сооб­щаются при помощи кривошипно-шатунного меха­низма 6 от электродвигателя постоянного тока. Электродвигатель включен в сеть переменного тока через выпрямительный диодный мост и автотранс­форматор. Все элементы установки, соприкасаю­щиеся с экстрактом и сырьем, выполнены из нержа­веющей стали.Степень насыщения экстрагента сухими вещест­вами измерялась рефрактометрическим методом по ГОСТ 28562-90 при помощи рефрактометра ИРФ-454 Б2М. При использовании водно-спиртового рас­творителя степень насыщения экстрагента сухими веществами измерялась фотоэлектроколориметриче­ским методом на приборе КФК-2. Измерение мощности, подаваемой на обмотки электродвигателя, проводили ваттметром типа Д 5016 с классом точности 0,2 по ГОСТ 8476-78. Изме­рение частоты колебаний осуществляли часовым та­хометром типа ТЧ-10Р. Результаты и их обсуждениеИз данных, представленных на рис. 2 и 3, сле­дует, что насыщение экстрагента (воды) извлекае­мыми сухими веществами происходило за 5...10 мин. Концентрация сухих водорастворимых веществ, рав­ная Ск = 6 % масс., достигалась за 3 или 4 цикла, это объясняется различным соотношением фаз сырье – экстрагент.Содержание сухих веществ в полученном экс­тракте после третьего цикла (см. рис. 2а) превышает содержание сухих веществ, по­лученных из такого же сырья методом традиционного настаивания в воде в те­чение 65...72 часов, на 3,4 % масс. при соотноше­нии фаз j = 0,4. Во время экстрагирования температура экстра­гента снижалась от (20±1) до (10±2) °С. При незначи­тельном времени экстрагирования и невысокой тем­пературе экстракта создаются достаточно благопри­ятные условия для сокра­щения потерь витаминов и биологически активных веществ, содержащихся в ягодах брусники.Из рис. 2 видно, что после первого и второго циклов происходит резкое увеличение концентрации су­хих водорастворимых веществ, последующие циклы такого резкого увеличения не дают. Это можно объ­яснить тем, что после второго цикла концентрация экстрактивных веществ в жидкой фазе близка к рав­новесной и последующий прирост ее затрудняется. Аналогичная ситуация имеет место при do = 4*10-3 м (см. рис. 3), но после 4 прохода. Однако достигаемая концентрация здесь выше – 7,3 % масс. за 5 проходов. Из данных, представленных на рис. 6б, следует, что насыщение экстрагента (40 % об. смеси этанол – вода) извлекаемыми сухими веществами за первый цикл происходило через 7...10 мин. По окончании процесса содержание спирта в экстрактах опреде­ляли пикнометрическим методом ГОСТ 17310-2002, оно составило Сспк = 32, 34 и 26 % об. Количество сухих веществ в деалкоголизированном экстракте определяли рефрактометрическим методом ГОСТ 28562-90, оно составило 5,8 % масс. для первого цикла с j = 0,4 и 5,2 % масс. для параллельного с j = 0,33.       а  б Рис. 2. Зависимости выхода сухих веществ от времени экстрагирования для ягод брусники: а – do = 5*10-3 м, j = 0,4: 1 – Сн = 0 %; 2 – Сн = 4,8 %; 3 – Сн = 5,8 %; 4 – Сн = 6,2 %; б – do = 5*10-3 м, j = 0,25: 1 – Сн = 0 %; 2 – Сн = 2,4 %; 3 – Сн = 4,6 %; 4 – Сн = 5,3 %    Рис. 3. Зависимости выхода сухих веществ от времени экстрагирования для ягод брусники, do = 4 *10-3 м, j = 0,25: 1 – Ссн = 0 %; 2 – Ссн = 2,5 %; 3 – Сн = 4,3 %; 4 – Ссн = 5,3 %; 5 – Ссн = 6,9 %   а   б Рис. 4. Зависимости полезной мощности от времени экстрагирования для ягод брусники: а – do = 4*10-3 м,           j = 0,25: 1 – Ссн = 0 %; 2 – Ссн = 2,5 %; 3 – Ссн = 4,3 %;     4 – Ссн = 5,3 %; 5 – Ссн = 6,9 %; б – do = 5*10-3 м, j = 0,4:     1 – Сн = 0 %; 2 – Сн = 4,8 %; 3 – Сн = 5,8 %; 4 – Сн = 6,2 %    Рис. 5. Зависимости полезной мощности от времени экстрагирования для ягод брусники, do = 5*10-3 м, j = 0,25: 1 – Ссн = 0 % масс.; 2 – Ссн = 2,4 % масс.; 3 – Ссн = 4,6 % масс.; 4 – Ссн = 5,3 % масс.; 5 – Ссн = 6,9 % масс.   а   б Рис. 6: а – зависимости полезной мощности от времени экстрагирования; б – зависимости коэффи­циента пропускания от времени экстрагирования для ягод брусники; do = 2,5*10-3 м, j = 0,25, Сспн = 40 % об.: 1.1 – Ссн = 0 % масс., Сспк = 32 % об.; 1.2 – Ссн = 0 % масс., Сспк = 34 % об.;      2 – Ссн = 5,2 % масс., Сспк = 26 % об.; 3 – Ссн = 9,8 % масс., Сспк = 32 % об.; 4 – Ссн = 18 % масс., Сспк = 24 % об. Содержание сухих веществ в полученном экс­тракте после второго цикла составило 9,8 % масс., после третьего цикла Ссухк = 18 % масс. (см. рис. 6б).Анализ энергозатрат на осуществление изучае­мого процесса выполнен с использованием полезных энергозатрат Nпол (Вт), которые определялись как разность между общими энергозатратами и затра­тами энергии на холостой ход (рис. 4, 5, 6а). Для всех соотношений фаз и диаметров перфора­ции вибрационной тарелки характерен максимум энергозатрат в начальный период времени. Затем энергозатраты снижаются и через 10...15 мин после начала про­цесса становятся стабильными, примерно в 2 раза меньше пиковых.Это можно объяснить следующим образом. В на­чальный момент времени струи жидкости, образуе­мые отверстиями в тарелке, и поток жидкости через кольцевую щель между корпусом и тарелкой встре­чают сопротивление в виде слоя замороженных ягод и их энергия затрачивается на деформацию и дроб­ление ягод. По мере размораживания и разрушения ягод струи проникают на большую глубину и пере­мешивают образовавшуюся суспензию, встречая меньшее сопротивление. При этом полезные энерго­затраты снижаются и становятся минимальными и постоянными во времени. В результате разморажива­ния и разрушения ягод образуется достаточно одно­родный объем суспензии, на перемешивание кото­рого затрачивается различное количество энергии в зависимости от условий эксперимента.Как видно из данных, представленных на рис. 4 и 5, энергозатраты на создание взвешенного слоя воз­растают с увеличением соотношения фаз и с умень­шением диаметра перфорации вибрационной тарелки. Во время экстрагирования температура экстра­гента снижалась от (20±1) до (13±2) °С. При незна­чительном времени обработки и невысокой темпера­туре экстракта создаются достаточно благоприятные условия для сокращения потерь витаминов и биоло­гически активных веществ, содержащихся в ягодах брусники.Из рис. 2 видно, что с увеличением соотношения фаз возрастают энергозатраты на процесс экстраги­рования. Это объясняется тем, что увеличивается высота слоя экстрагента над тарелкой, возрастает сила удара струй воды, образованных отверстиями тарелки при ее колебаниях, о ягоду. Из полученных данных следует, что наиболее эффективным является режим при do = 4*10-3 м,          j = 0,25, при котором достигается наибольшее извлечение сухих водорастворимых веществ.Дисперсный анализ твердой фазы после экстраги­рования показал, что около 60 % составляют частицы размером от 1 до 1,7*10-3 м. Это главным образом частицы кожуры и семена. Мякоть разрушена полно­стью до частиц размером 0,63*10-3 и 0,2*10-3 м. После экстрагирования в твердой фазе еще остается некоторое количество сухих растворимых веществ, которые можно извлечь при помощи виброэкстрактора. В дальнейшем твердая фаза может использоваться в качестве пищевых и кормовых добавок. При концентрировании растворов в роторно-рас­пылительном испарителе (РРИ) разрушение вита­мина С за один проход составляет около 4 %, что по­зволяет сохранить содержание витамина С в концен­трированном экстракте с массовой долей сухих ве­ществ 55,2 % масс. на 64,6 % [9]. Поэтому можно предположить, что концентрирование экстрактов в виброэкстракторе позволяет сохранить витамин С в большем объеме, так как температура экстракта не превышает (13+2) 0С. Концентрирование экстрактов в выпарных уста­новках является многостадийным, сложным процессом с технической стороны, а также требующим затрат теплоносителя и создания вакуума. Процесс концентрирования в экстракторе отличается простотой, не требует создания вакуума и подвода теплоносителя.Таким образом, полученный экстракт характери­зуется более высоким содержанием сухих водо- и спирторастворимых веществ по сравнению с экс­трактами, полученными за один цикл. В процессе исследования был изучен характер влияния весового соотношения сырья и экстрагента, диаметра отвер­стий перфорации тарелки и количества циклов на выход сухих водорастворимых веществ и затраты мощности. Установлено, что наиболее высокое извлечение сухих водорастворимых веществ из ягод брусники достигается при do = 4*10-3 м, j = 0,25 за 5 циклов при наименьших энергозатратах. Параметры про­цесса насыщения растворителя при переработке пло­дово-ягодного сырья в аппарате с вибрационной та­релкой следует находить опытным путем для каждой партии сырья. Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что для замороженных ягод брусники доста­точно 3–4 циклов экстрагирования водно-спиртовым растворителем, чтобы достичь содержания сухих веществ 16–22 % масс. Дальнейшее увеличение числа циклов будет экономически нецелесообразно.