ВведениеРазработка передовых технологии крупнотон-нажной переработки масличного сырья с цельюповышения выхода масла и сопутствующихцелевых компонентов с сохранением качественныххарактеристик является важнейшей задачей развитиямасложировой промышленности [1].В технологической цепочке извлечениемасла проходит на стадиях прессования иэкстрагирования. В промышленном масштабе настадии прессования используют шнековые пресса.Однако бывают исключения в виде применениягидравлических прессов [2]. Выход масла на этойстадии может достигать 80 % от общего количествамасла. Для извлечения остаточного масла вжмыхе применяют процесс экстрагирования сиспользованием углеводородных растворителей.Качество экстракционного масла гораздо ниже посвоим показателям, поэтому основную ценностьпредставляет собой прессовое пищевое масло. Дляувеличения выхода масла на стадии прессованияприменяют процедуру вальцевания совместно свлаготепловой обработкой в жаровне. В результатетакой подготовки порядка 50–60 % масличных клетоканатомически разрушаются. Это улучшает показателивыхода масла на стадии прессования [3]. Однако невсе масличные клетки разрушаются, что говорит онеобходимости поиска методов, способствующих ихполному анатомическому разрушению.Из исследования [4] было выявлено, чторасположение клеток имеет палисадообразныйхарактер. Клетки цилиндрической вытянутойформы характеризуются отчетливо выраженнымилипидными сферосомами и белковыми глобулами,диффузно расположенными в объеме клетоки объединенные цитоплазменной матрицей. Вподсолнечнике, который по своей физическойхарактеристике является диэлектрическим мате-риалом, разрушение остаточных масличных клетоквозможно лишь с применением электрофизическойобработки. Более полный обзор электрофизическихприемов для масличных материалов приведен вработе [5].Гипотеза о возможном влиянии электрическихразрядов на целостность масличных клеток быларассмотрена в работе [4]. Авторами было установлено,что, после обработки импульсным электрическимполем E = 8 кВ/см и количеством импульсовn = 300, на поверхности материала выделяласьмасличная пленка, что повлияло на реологическиехарактеристики. В работах отечественных изарубежных ученых было исследовано применениевысоковольтных импульсов, СВЧ-нагрева иУЗ-обработки для увеличения выхода масла на стадиипрессования из различных масличных материалов[2, 6–14]. В работе H. Bakhshabadi и др. былоустановлено, что при обработке высоковольтнымиимпульсами при напряженности электрического поля3,25 кВ/см выхода масла увеличивается на 25 % [6].Однако детального объяснения данному эффектув работе не представлено. J. R. Sarkis с соавторамирассматривалась обработка высоковольтнымиразрядами в жидкости [15]. Было установлено, чтотакая обработка может увеличивать выход на 22,4 %.Abstract.Introduction. One of the most important tasks of the modern oil and cake industry is to develop advanced technologies that couldincrease the yield of high quality oil and related target components from oilseeds.Study objects and methods. The present research featured sunflower oilseeds. The main method of electrical treatment processing washigh-voltage electrical pulses of microsecond duration: electric field strength = 13.3 kV/cm, frequency = 30 Hz. To assess the effectsof electric pulses, we used disintegration index, i.e. a method of determining the number of destroyed cells according to the electricalconductivity of the material. To assess the effect of the treatment, the sunflower meal was pressed in a hydraulic press. The procedurewas followed by extraction using hydrocarbon solvent. As an additional assessment, we analyzed the biomass impedance before andafter treatment with high-voltage discharges with the determination of the disintegration index. To assess the quality of the resultingoil, we determined the acid and peroxide values. IR spectroscopy provided a more thorough assessment of the quality of the oil.Results and discussion. After the sunflower meal was treated with high-voltage pulses, the yield of pressed oil increased by 1.9%.The residual oil content in the meal fell down to 0.61% compared with 1.19% in the control samples. Oil quality indicators showedthat treatment with high-voltage pulses did not significantly affect the acid value. The sudden change in the peroxide number wasprobably caused by the prolonged heating during the experiment.Conclusion. The obtained experimental data made it possible to forecast the prospects of using the high-voltage electric pulsefor oilseed processing and assess the effectiveness of the technology together with its prospective industrial use. The alternativetechnology can replace the stage of crushing and pre-heating.Keywords. High-voltage electrical discharge, oil-bearing material, extraction, extraction, oil yield, oil qualityFunding. Current was performed on the premises of Resource Sharing Center “Research Center for Food and ChemicalTechnologies” (Kuban State Technological University). The research was funded by Russian Foundation for Basic Research of theRussian Federation, grant No 18-38-00448.For citation: Shorstkii IA. Effect of High Voltage Electrical Pulses on the Oil Yield of Sunflower Meal. Food Processing: Techniquesand Technology. 2020;50(1):106–114. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2020-1-106-114.108Shorstkii I.A. Food Processing: Techniques and Technology, 2020, vol. 50, no. 1, pp. 106–114Результаты применения электрогидроудара показы-вают высокую эффективность. Однако добавлениежидкой фазы в виде воды не всегда возможно приработе с масличными материалами в промышленномприменении.Целью данной работы является исследованиеприменения высоковольтных электрических разрядовв качестве метода предварительной обработки мезгиподсолнечника для улучшения выхода масла настадии прессования и экстрагирования.Объекты и методы исследованияОбъектом исследования стала мезга семянподсолнечника, взятая с действующего производства(г. Алексеевка, Россия) при влажности 5 ± 1,1 %.Лузжистость мезги составляла 15 ± 2 %. Начальнаямассовая доля жира составляла 49,78 %. Характернойособенностью мезги с данного предприятия былоотсутствие стадии вальцевания в технологическомпроцессе. Мезга представляла собой неоднороднуюмассу с размером частиц семян от 0,5 до 3 ммперемешанную с лузгой. Перед подачей материалана дальнейшую обработку он нагревался дотемпературы 100 °C с помощью лабораторной плиткив режиме постоянного перемешивания.Обработка высоковольтными разрядами. Схемаэкспериментальной установки для проведенияобработки масличного материала высоковольтнымиразрядами в воздушной среде представлена нарисунке 1. Для формирования высоковольтногоразряда использовали систему электродов вконфигурации «точка-плоскость». Электроды быливыполнены из стали. Верхний электрод диаметром10 мм являлся высоковольтным, а нижний плоскийэлектрод – с заземлением. Зазор между электродамисоставлял 15 мм. Обрабатываемая ячейка была вы-полнена из диэлектрика (дерево) диаметром 50 мм.Дно обрабатываемой ячейки было выполнено издиэлектрической сетки. Ячейка была установленана подвижную платформу с шаговыми двигателямидля осуществления обработки по всей поверхностиматериала. Траектория движения высоковольтногоэлектрода по поверхности материала представленана рисунке 1б. Данная траектория была выбрана длямаксимального покрытия поверхности материала.После обработки материал направлялся на стадиюпрессования.Энергетическая часть высоковольтной системыбыла построена на базе усилителя Matsusada 20-B-20 (Matsusada Precision Inc, Japan) в комбинациис функциональным генератором Agilent 33220A(Agilent Technologies, USA). В данной установкеиспользовали электрические положительныепрямоугольные разряды длительностью 10 мкс счастотой следования импульсов 30 Гц. Амплитудакаждого импульса составляла 20 кВ. При такойконфигурации в зазоре между электродами возникаланапряженность поля 13,3 кВ/см. Удельная энергияна единицу массы обрабатываемого материаласоставляла 121,6 Дж/кг при обработке в течение 2 мин.Контроль характера подаваемых на обработкуразрядов осуществлялся с помощью осциллографаTektronix TDS 220 через высоковольтный делитель(Х1000, Tektronix).Прессование. Процесс извлечения маслапроводился на гидравлическом лабораторном прессев течении 3 мин. При этом процесс сдавливаниярегулировался ручным способом по следующемуалгоритму: первые 60 секунд при давлении 2 Мпа,вторые 60 секунд при давлении 3 Мпа и последние60 секунд при давлении 4 Мпа. Параллельно сэтим происходила запись количества вышедшегомасла во времени с помощью электронных весов,подключенных к компьютеру. Запись измеренийосуществляли до третьего знака после запятой.Выход масла определяли через выражение:Y = (Mп / Mн)·100 (1)где Mп – количество извлеченного прессовогомасла, гр;Mн – исходное содержание масла в мезге, гр.Экстракция. Экстрагирование жмыха подсол-нечника осуществляли с помощью экстракционногоаппарата SoxTherm. В качестве растворителяиспользовали производственный нефрас. Для экстра-гирования в специализированный стакан засыпалсяжмых подсолнечника, в который добавлялирастворитель при объемном соотношении 1:20.Длительность процесса экстрагирования для всехобразцов составляла 3 часа, что являлось доста-Рисунок 1. Схема экспериментальной установки дляформирования высоковольтных разрядов (а); траекториядвижения высоковольтного электрода относительнообрабатываемой ячейки (б); визуализации процессаобработки высоковольтными разрядами (в)Figure 1. Scheme of the test unit for high-voltage pulses (a); trajectoryof the high-voltage electrode vs. cell under processing (б); visualizationof the processing with high-voltage pulses (в)109Шорсткий И. А. Техника и технология пищевых производств. 2020. Т. 50. № 1 С. 106–114точным для проведения избыточной экстракции состаточной масличностью жмыха менее 0,5 %.Измерение импеданса и индекса дезинтеграции.Импеданс образцов мезги подсолнечника измерялина прецизионном LCR метре Quadtech 1920(IET LABS, NY, USA) с использованием набора4‑пиновых коннекторов (1700–03 Kelvin Leads).Во избежание неплотного контакта электрода сматериалом измеряемая ячейка была оборудованагидравлической системой. Для определения спектраимпеданса брали навеску 5–6 гр и засыпали вячейку диаметром 30 мм. Затем материал уплотнялис помощью гидравлической системы. Толщинаматериала составляла 5 мм. Прецизионный LCR-метрпозволял снимать показатели импеданса в частотномдиапазоне от 20 Гц до 1 МГц. Для определенияиндекса дезинтеграции Z использовали следующеевыражение:Z = (σ - σi) / (σd - σi) (2)где σ – электропроводность образца после обработкивысоковольтными разрядами, См/м;σi – начальная электропроводность образца (зна-чение близко к нулю), См/м;σd – электропроводность образца с максимальнойстепенью дезинтеграции, полученной путем предва-рительной заморозки образов при температуре –11 °C.Показатели качества получаемого масла.Качество полученного масла исследовали наанализ перекисного и кислотного чисел, а такжецветового анализа по стандартным методикам,рекомендуемым ВНИИЖиров. Кислотное числоопределяли титрованием экстрагированного маслараствором KOH в присутствии фенолфталеина пометодике ГОСТ 52110-2003. Перекисное число жираопределяли титрованием экстрагированного маслараствором Na2S2O4 по методике ГОСТ 51487-99.Для определения содержания металлов из-за эрозииэлектродов использовали оценку по ИК-спектру наспектрометре Matrix-F на базе ФГБОУ ВО «КубГУ».Анализ спектра проводили с помощью внутреннегоприложения OPUS.Статистический анализ. Все экспериментыпроводились с трехкратной повторностью. Экспе-риментальные данные представлены как среднеарифметическое значение ± стандартная ошибкасреднего значения. Вывод статистической значи-мости был просчитан при P < 0,05 с использованиемпрограммного обеспечения ANOVA и LSD тест.Результаты и их обсуждениеХарактер подаваемого разряда в электроднуюзону представлен на рисунке 2. Осциллограммавысоковольтного разряда представлена в виде 2сигналов (фиолетовый и желтый). Желтый сигналхарактеризует входной сигнал, поступающий наусилитель, и имеет искажения на возрастающемфронте прямоугольного импульса. Фиолетовыйсигнал характеризует выходной разряд на электродах.Отчетливо видны микропробои на спадающем фронтепрямоугольного сигнала в виде повторяющихсяэкспоненциальных импульсов. Данные импульсыхарактеризуют наличие пробоя в воздухе, визуальнонаблюдаемый в ходе эксперимента.По спецификации используемых образцов мезгиподсолнечника содержание масла в них составляло49,78 ± 0,5 %. Обработка проводилась при следующихпараметрах: напряженность поля составил 13,3 кВ/см,количество подаваемых импульсов – 3600, времяобработки 2 мин. С применением предварительнойобработки высоковольтными разрядами макси-мальное значение выхода масла составило 15,7 %.Показатель выхода масла без обработки составил13,8 % после 3 минут отжима. В таблице 1представлены данные выхода масла на различныхэтапах эксперимента. Стоит отметить, что улучшен-ный выход масла положительно повлиял наостаточную масличность в шроте подсолнечника,снизив количество масла на 0,58 %.Изменение выхода масла во времени представленона рисунке 3. Характер представленных кривых имеетТаблица 1. Значения выхода масла на различных этапах для обработанных и необработанных образцовTable 1. Oil yield values at various stages for test and control samplesПрессование ЭкстрагированиеБез обработки После обработки Без обработки После обработкиВыход масла из мезги, % 13,8 ± 0,2 15,7 ± 0,2 34,18 Влага (3,01) 33,47 Влага (1,55)Остаточная масличность шрота, % 1,19 ± 0,06 0,61 ± 0,05Рисунок 2. Осциллограмма входного сигнала,поступающего на усилитель (желтый) и выходноговысоковольтного сигнала, поступающегона электроды (фиолетовый)Figure 2. Oscillogram of the input signal suppliedto the amplifier (yellow) and the output high-voltage signal suppliedto the electrodes (purple)110Shorstkii I.A. Food Processing: Techniques and Technology, 2020, vol. 50, no. 1, pp. 106–114схожий вид с кривой кинетики экстрагирования.И рисунка 3 видно, что за счет предварительнойобработки высоковольтными электрическими разря-дами материала мезги подсолнечника произошладезинтеграции целостности масличных клеток, чтовызвало улучшенный выход масла. Предыдущиеданные, связанные с применением импульсногоэлектрического поля к масличному материалуподсолнечника, показали возможность разрушениямасличных клеток с помощью электрическихполей [6]. Это также подтверждается проведен-ными микроструктурными исследованиями [4].Масса, благодаря предварительному разрушениюцелостности мембран масличных клеток, представля-ла собой «губчатую структуру». Подобно пробоюдиэлектрика поток заряженных частиц проходитчерез структуру материала и формирует канал. Засчет формирования многочисленных каналов улуч-шаются массообменные характеристики.Изменение параметров импеданса биоматериалапредставлено на рисунке 4. Импеданс биоматериалавеличина комплексная и определяется в видедействительной части (сопротивление, R) имнимой части (реактивное сопротивление, JX). Вв качестве эквивалентной схемы была выбранапоследовательная схема соединения элементовцепи [16].Как видно из рисунка 4, предварительнаяобработка высоковольтными разрядами мезгиподсолнечника позволила снизить величинуимпеданса и увеличить величину электропро-водности. Характер полученной кривой электропро-водности схож с кривыми, полученными другимиавторами для различных биоматериалов [17]. Криваяэлектропроводности имеет экспоненциальный види резко увеличивает свои значения при увеличениичастоты. Данный эффект от обработки вызванналичием масличной пленки, образовавшейся приобработке высоковольтными разрядами. Известно,что электропроводность подсолнечного маславыше, чем скелета материала мезги. Однако из-занебольшого отличия полученных кривых данныйвывод можно сделать лишь в сочетании с данными,полученными при отжиме масла, где такжеприсутствует незначительный, но статистическиподтверждаемый эффект.Для определения индекса дезинтеграции вскры-тых клеток существует несколько методов [15, 18].Первый определяется через разность отношенийвеличины электропроводности на низких и высокихчастотах. Второй – через величину проходящегочерез материал тока. В нашей работе использованнаиболее точный метод определения индексавскрытых клеток, определяемый по уравнению (2).Величина электропроводности замерялась на частоте100 Гц.Подставляя значения σi = 1,43E-07 См/м,σd = 5,37E-07 См/м и σ = 2,37E-07 См/м в уравнение (2),был установлен индекс дезинтеграции Z = 23,8 %.Учитывая данные из литературного источника [3],который сообщает, что порядка 40 % масличныхклеток остаются неразрушенными после влаго-Рисунок 3. Зависимость выхода маслаот времени при прессованииFigure 3. Effect of pressing time on oil yieldРисунок 4. Зависимость импеданса (слева) и электропроводности (справа) от десятичного логарифма частотыFigure 4. Effect of the decimal frequency logarithm on impedance (left) and electrical conductivity (right)Время прессования, сВыход масла, %Без оброботки После обработкиИмпеданс, Омlog10 (f)16×10612×1068×1064×106010 100 1000 10000 100000 106Без оброботки После обработкиlog10 (f)12×10–68×10–64×10–6010 100 1000 10000 100000 106Электропроводность, См/м111Шорсткий И. А. Техника и технология пищевых производств. 2020. Т. 50. № 1 С. 106–114тепловой обработки, увеличение количества вскры-тых клеток является положительным фактором,влияющим на массоперенос. Увеличение индексадезинтеграции на 23,8 % привело к незначительномуувеличению выхода масла на 1,9 % на стадии прес-сования. Это можно объяснить лимитирующимфактором количества каналов для отвода масла пригидравлическом прессовании. Данный фактор можетрегулироваться с помощью лузжистости материала.Таким образом, производительность масло-пресса в МП-68 55 тонн/сутки, на которомможно использовать предлагаемую технологиюпредварительной обработки высоковольтными импу-льсами, позволит получить дополнительный приростмасла в объеме более 300 литров в сутки. Приналичии на производстве нескольких маслопрессовданная цифра будет прямо пропорционально ихколичеству. Учитывая величину затрачиваемойудельной энергии на кг материала 1,3 кДж/кги величину ориентировочных капиталозатрат,данная технология наиболее применима длякрупнотоннажного производства подсолнечногомасла [19].Результаты анализа определения перекисного икислотного чисел для полученного после прессованиямасла представлены в таблице 2. Перекисное числохарактеризует степень окисленности жиров и масели выражается в терминах количества грамм йода,поглощенного на грамм образца. Перекисное числодля масла, полученного из образцов без обработки ипосле обработки высоковольтными разрядами мезгиподсолнечника, составило 6,8 и 13,7 соответственно.Столь высокое значение перекисного числа моглобыть вызвано постановкой эксперимента. Длявоссоздания промышленного процесса переработкимезги подсолнечника её длительно нагревалидо температуры 100 °C сначала для обработкивысоковольтными разрядами, а затем для отжима.В результате активное действие кислорода придлительном нагреве способствовало увеличениюданного показателя в два раза.Значение кислотного числа (количествомиллиграммов гидроксида калия, котороенеобходимо для нейтрализации свободных кислотРисунок 5. ИК-спектр масла без обработки (синяя линия)и после обработки (красная линия)Figure 5. IR spectrum of oil in control sample (blue line)and test sample (red line)Таблица 2. Показатели качества масла для образцов без/после обработки высоковольтными разрядамиTable 2. Oil quality indicators for test and control samplesОбразец Перекисное число Кислотное числоБез обработки 6,8 ммол акт O2/кг 1,45 мл KOH/грПосле обработки напряженностью 13,3 кВ/см и количеством импульс ов 3600 13,7 ммол акт O2/кг 1,43 мл KOH/грПропускание, %Волновое число, см–1100806040200000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500Таблица 3. Расшифровка ИК спектра по амино-группеTable 3. Interpretation of the IR spectrum by amino-groupСоли аминов4 NH+ 3300–3030 (3,03–3,30)1430–1390 (7,00–7,20)c.c.υN-H, шир.,δN-H, шир.4 RNH+ ~ 3000 (3,33)~ 2500 (4,00)~ 2000 (5,00)1600–1575 (6,25–6,35)1500 (6,67)δN-H, шир., c.δN-H, ср.δN-H, ср.δN-HδN-HНесколько полос2 4 R NH+ 2700–2250 (3,70–4,33) c. υN-H, иногда проявляется в виде группы полос3 4 R NH+ 2700–2250 (3,70–4,33) с. υN-H, иногда проявляется в виде группы полос4RH+ ––Не имеет характеристических полосR2C = NH+ 2500–2300 (4,00–4,34)2200–1800 (4,55–5,56)ср Широкая полоса, иногда проявляется в виде группы полос112Shorstkii I.A. Food Processing: Techniques and Technology, 2020, vol. 50, no. 1, pp. 106–114в 1 гр образца) используется для проверки чистотымасла и характеризует степень гидролиза липидов.Кислотное число обработанной мезги подсолнечникапрактически не изменилось и составило 1,43 КОН/г.Для более детального анализа качества маслапосле обработки использовали ИК-спектрометрию.Данные полученных спектров для образцов без ипосле обработки представлены на рисунке 5.Спектр полученный для масла, прошедшегопредварительную обработку, имел дополнительнуюполосу поглощения в области 2300–2500 см–1. Вданной области возможны колебания несколькихгрупп RNH3+, R2C = NH+ и фосфины RnPH3–n. Наосновании этих данных можно предположить, чтов результате обработки электрическими разрядамивозможно образование нового вещества в составкоторого входит амино- или фосфо- группа за счетперехода молекул в возбужденное состояние. Всоставе семян подсолнечника есть целый комплексвитаминов и микроэлементов, в том числе фосфора,которые отсутствуют в подсолнечном масле. Новыйспособ предварительной обработки позволяетизвлечь такие азот-содержащие витамины, как В6и В9. В таблицах 3 и 4 представлена подробнаярасшифровка спектра на предмет амино- или фосфо-групп.Таким образом, результаты проведенных иссле-дований качества масла показали, что обработкавысоковольтными разрядами на стадии подготовкиматериала к последующей переработке незначительновлияет на показатели качества получаемого масла.Выявленное ухудшение значение перекисного числасвязано с постановкой эксперимента и требует болеедетального анализа.ВыводыВ данной работе получены результаты влиянияпредварительной обработки высоковольтнымиразрядами на мезгу подсолнечника с оценкойвыхода масла на различных стадиях переработки.По результатам экспериментальных исследованийбыло установлено, что обработка высоковольтнымиразрядами напряженностью 13,3 кВ/см в количестве3600 ед. влияют на целостность структурымасличного материала, формируя в нем сквозныеканалы. Установлено, что предварительнаяобработка позволила увеличить выход масла настадии прессования на 1,9 %. Выявлено снижениеостаточной масличности шрота с 1,19 до 0,61 % дляобразцов без и после предварительной обработкивысоковольтными разрядами. Данный показательявляется основным индикатором эффективностипредлагаемой технологии и способствует дополни-тельному приросту масла. Результаты качественныххарактеристик масла показали, что обработкавысоковольтными разрядами в незначительнойстепени влияет на качественные показатели.Увеличение перекисного числа масла послеобработки с 6,8 до 13,7 ммол акт O2/кг связано спостановкой эксперимента. Для этого в последующихработах будет предпринята попытка более детальнойоценки качественных показателей после обработкивысоковольтными электрическими разрядами.Конфликт интересовАвторы заявляют, что материалы статьи не былиопубликованы ранее и не отправлены в другиежурналы. В работе не проводились испытания надживотными.БлагодарностиВыражаем благодарность сотрудникам ЦКП «Ис-следовательский центр пищевых и химическихтехнологий» за оказанную помощь при определениикачественных характеристик масла.Conflict of interestThe authors declare that the manuscript has neverbeen published or sent to other scientific journalsfor publication. The research did not involve animaltesting.AcknowledgementsThe authors would like to express their deepestgratitude to the team of Resource Sharing Center“Research Center for Food and Chemical Technologies”(Kuban State Technological University).