4.2.3. Дисковые мельницы

В лабораторной практике широкое распространение получили дисковые мельницы. Эти мельницы работают по принципу раскалывания и растирания материала между острыми рифлями дисков.

На горизонтально расположенном валу закреплен подвижный вал, на торцевой стороне которого имеются выступы – рифли. Подвижный диск находится в корпусе мельницы. К внутренней стороне корпуса аппарата соосно подвижному диску прикреплен неподвижный диск, имеющий в середине отверстие. Внутренняя торцевая поверхность неподвижного диска также содержит рифли. Вал с подвижным диском вращается от специального привода.

Подлежащий измельчению материал поступает через приемную воронку в отверстие в неподвижном диске в пространство между дисками, захватывается рифлями вращающегося диска и под действием центробежной силы перемещается от центра к периферии. По мере передвижения к периферии материал измельчается рифлями. Крупноту помола можно регулировать, изменяя расстояние между торцами дисков

Измельченный материал выбрасывается в кольцевое пространство в корпусе мельницы между дисками и внутренней поверхностью корпуса и выводится из мельницы через окно, расположенное в нижней части корпуса.

4.2.4. Фрезерные измельчители

Рабочим органом фрезерного измельчителя является фреза, выполненная в виде ролика со специальной насечкой с наружной стороны. Острые выступы насечки фрезы при ее вращении скалывают частицы измельчаемого материала, который прижимают к фрезе.

Материал, подлежащий измельчению, загружается в воронку и поступает в канал, в котором может перемещаться плунжер. Перемещаясь вдоль канала, плунжер прижимает измельчаемый материал к вращающейся фрезе. Острые выступы фрезы измельчают частицы материала и сбрасывают их к выходному отверстию. Частицы, прилипшие к фрезе, снимаются с ее поверхности металлической щеткой и также выбрасываются через выпускное отверстие.

4.2.5. Комбинированные мельницы

Принцип работы комбинированных мельниц (дробилок) заключается в воздействии на измельчаемый материал ножа, вращающегося с относительно большой скоростью вокруг вертикальной оси. Нож расположен в пластмассовом корпусе. В результате действия ножа и реакции стенок корпуса происходит измельчение материала. По этому принципу работает широко распространенная бытовая кофемолка, а также одна из конструкций лабораторной зерновой мельницы.

4.2.6. Измельчители в жидкой среде

В лабораторной практике зачастую применяют измельчающие устройства, позволяющие получать высокодисперсную суспензию измельчаемого материала в жидкой среде.

Измельчение происходит в вертикальном сосуде, имеющем форму расходящегося вверху усеченного конуса. Внутри сосуда расположен вертикальный вал, вращающийся с частотой 4000…8000 об/мин. Указанный вал непосредственно соединен с электродвигателем. В нижней части он снабжен специальным уплотнительным устройством для предотвращения вытекания жидкости из сосуда. На валу закреплены два ножа – режущий и перемешивающий. Сосуд сверху закрыт крышкой.

4.2.7. Выбор типа измельчительных устройств

При выборе типа измельчительного устройства необходимо учитывать свойства и особенности измельчаемого материала, а также назначение анализа. При анализе веществ, которые могут претерпевать изменения под влиянием интенсивных механических и тепловых воздействий, необходимо применять такие измельчители, которые не вызывают сильного разогрева всей массы материала.

Необходимо иметь в виду, что при неправильном выборе измельчительного устройства может происходить весьма интенсивное изменение белковой фракции и других лабильных компонентов, причем влияние теплового фактора в сочетании с механическим воздействием (внутренним трением) является специфичным для белковых веществ с точки зрения скорости и направления развития нежелательных процессов. Эксперименты показывают, что происходит изменение фракционного состава белковых веществ, уреазы и соина при измельчении соевого лепестка в роликовой мельнице. При этом обнаружено значительное снижение водорастворимых и, соответственно, увеличение щелочерастворимых фракций белков даже при сравнительно кратковременном измельчении. При более продолжительном измельчении могут полностью инактивироваться уреаза и соин.

Таким образом для измельчения масличных семян и продуктов их переработки в целях определения состава белковых веществ и других лабильных соединений необходимо применять измельчительные устройства, обеспечивающие тонкое измельчение при очень кратковременных воздействиях на материал. К числу таких измельчительных устройств следует отнести фарфоровые, металлические и агатовые ступки, а также комбинированные мельницы, которые позволяют получить нужную степень измельчения материала в течение 30…40 с при навеске материала 10…20 г.

Для предварительного измельчения кусковых материалов целесообразно применять дисковые мельницы, отличающиеся большой производительностью. Они пригодны для измельчения хрупких материалов с частицами крупного размера.

Роликовые мельницы можно применять для измельчения масличного сырья для определения в них содержания жира.

Фрезерные мельницы, наряду с комбинированными, пригодны для измельчения материалов, состоящих из компонентов разной структуры (пластичных, твердых, волокнистых).

Измельчители в жидкой среде применяют во многих случаях аналитической практики, в том числе при определении активности ферментов в семенах, содержания в них белков и др.

4.3. Извлечение растворимых компонентов из твердых и пластичных материалов

В зависимости от назначения анализа и свойств объекта исследования применяют различные методы извлечения растворимых веществ. При выборе метода необходимо учитывать не только свойства извлекаемого и каркасного веществ, но и характер локализации растворимого компонента, формы связи его с материалом.

Например, глицериды и сопутствующие им вещества в хорошо измельченных семенах, жмыхах и шротах находятся в состояниях, различных по энергии связи с гелевой частью: в механически удерживаемом, в сорбированном, в состоянии химической связанности водородными и более прочными связями.

Механически и сорбционно удерживаемые липиды (свободные) могут быть выделены из жиросодержащих объектов прессованием (при достаточно высоком их содержании) или экстракцией растворителями (при любом содержании). Связанные липиды могут быть выделены из материала лишь специальными методами, выбираемыми в зависимости от прочности этих связей.

4.3.1. Отжим

Физическая сущность процесса отжима заключается в сближении внешних и внутренних поверхностей частиц материала под действием внешних механических сил. В результате из промежутков между сближающимися поверхностями происходит выжимание липидов. Однако даже при значительном удельном давлении на сближаемых поверхностях все же остается некоторое количество глицеридов и сопутствующих веществ, сорбированных на поверхности частиц.

Следует помнить, что с увеличением глубины извлечения липидов в них меняется фракционный состав. Поэтому на основании анализа данных проб липидов нельзя получить правильное представление о действительном содержании отдельных групп липидов в исходном материале.

Отжим можно производить на гидравлических или лабораторных шнековых прессах при удельном давлении от 10 до 200 МПа.

4.3.2. Извлечение растворителями

Для извлечения некоторых компонентов материалов, например липидов из жиросодержащих объектов, могут быть использованы различные органические растворители: бензин, гексан, петролейный эфир, диэтиловый эфир, ацетон, хлороформ и др. Выбор растворителей зависит от свойств извлекаемых компонентов и назначения анализа. Так, например, при извлечении липидов гидрофобные растворители (петролейный эфир, гексан, бензин) извлекают сравнительно мало сопутствующих глицеридам веществ, т. е. других групп липидов. Хлорированные углеводы и диэтиловый эфир извлекают вместе с глицеридами значительно больше, чем гидрофобные растворители, свободных жирных кислот, фосфатидов, пигментов и т. п. Ацетон хорошо извлекает глицериды, свободные жирные кислоты и пигменты, но хуже всех перечисленных растворителей – фосфатиды.

Извлечение липидов гидрофобными растворителями из масличных семян, так же как при отжиме, происходит селективно. С большей скоростью извлекаются глицериды, с меньшей – фосфатиды, свободные жирные кислоты, неомыляемые вещества и продукты окисления глицеридов.

При необходимости получить свободные липиды в целях определения их состава экстракцию следует вести до полного обезжиривания материала. Такое извлечение осуществляют методом исчерпывающей экстракции в аппаратах Сокслета (рис. 4.2).

Аппарат Сокслета состоит из экстрактора 3, в который устанавливают патрон с экстрагируемым материалом. Патрон готовят из листа предварительно обезжиренной фильтровальной бумаги размером 1048 см следующим образом. На деревянный шаблон диаметром 25 мм навертывают фильтровальную бумагу, выступающий конец подворачивают по мере навертывания на шаблон. Затем патрон снимают с шаблона, на дно его кладут кусочек проэкстрагированной ваты, в патрон засыпают навеску предварительно подготовленного материала, накрывают ее кусочком проэкстрагированной ваты и патрон закрывают.

Рис. 4.2. Аппарат Сокслета:

1 – трубка для паров растворителя; 2 – холодильник-конденсатор; 3 – экстрактор с патроном с экстрагируемым материалом; 4 – сифонная трубка; 5 – колба;

Патрон с навеской анализируемого материала помещают в экстрактор 3 аппарата, который соединяют с высушенной и взвешенной приемной колбой 5. Через воронку в экстрактор наливают растворитель в таком количестве, чтобы через сифонную трубку растворитель перелился в колбу 5. Затем добавляют еще небольшое количество растворителя. Колбу 5 нагревают в водяной бане. Пары растворителя из колбы поднимаются по отводной трубке 1 экстрактора в холодильник 2, где они конденсируются; конденсат стекает в экстрактор, постепенно заполняя его, и переливается в колбу через сифонную трубку 4.

В зависимости от исследуемого вещества и назначения анализа извлечение масла из материала производят различными растворителями, чаще всего применяют петролейный или этиловый (серный) эфиры.

Перед использованием растворитель очищают перегонкой от нелетучих компонентов. Так, этиловый эфир перегоняется при температуре от 34,5 до 36 °С. Петролейный эфир, представляющий собой наиболее легкие фракции нефти, перегоняется при температуре 40…55 °С.

4.3.3. Специальные приемы извлечения растворимых компонентов

Специальные приемы применяют для извлечения связанных, прочносвязанных и общих (смесь связанных с несвязанными) растворимых компо-нентов. В каждом отдельном случае используют специальные приемы, характерные только для данного случая и применительно к данному объекту. В качестве примера рассмотрим извлечение связанных липидов.

Материал после извлечения свободных липидов методом исчерпывающей экстракции нагревают в смеси с 96 %-м этанолом в колбе с обратным холодильником на водяной бане. При этом на одну часть материала добавляют четыре части этанола. По истечении 50…60 мин этанол отгоняют, материал тщательно измельчают и экстрагируют в аппарате Сокслета сухим диэтиловым эфиром для получения высвободившихся липидов.

Извлечение прочносвязанных липидов из жиросодержащих липидов чрезвычайно трудно. Поэтому о приблизительном их содержании судят по жирным кислотам и неомыляемым веществам, выделенным из щелочных гидролизатов после их подкисления. Для этого материал, оставшийся после извлечения связанных липидов, гидролизуют 20 %-м водным раствором КОН при кипячении в фарфоровой чашке на песочной бане в течение 2 ч. При этом на одну часть материала берут десять частей раствора щелочи. По мере испарения в чашку добавляют воду. По окончании кипячения охлажденный гидролизат фильтруют через стеклянную вату и подкисляют 10 %-м НСl. Выделившиеся жирные кислоты прочносвязанных липидов извлекают из раствора в делительной воронке диэтиловым или петролейным эфиром. Эфирные вытяжки промывают водой до нейтральной реакции, эфир отгоняют и извлеченные вещества высушивают под вакуумом при температуре 60 °С.

4.4. Разделение смеси различных веществ на компоненты

При исследовании пищевых продуктов в некоторых случаях необходимо сложную смесь различных по свойствам веществ предварительно разделить на более узкие группы или получить концентраты с повышенным содержанием исследуемых соединений. Для этих целей могут быть применены простая перегонка, ректификация, молекулярная перегонка и фракционирование кристаллизацией из растворов.

Перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси жидкостей и последующую конденсацию образующихся паров. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси. Если бы исходная смесь состояла из нелетучего и летучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Посредством же перегонки разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т. е. обладают определенным, хотя и разным, давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Так, при перегонке двухкомпонентной смеси получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего, или низкокипящего, компонента, чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается низколетучим компонентом. Неиспарившаяся жидкость, более богатая труднолетучим компонентом, называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации, – дистиллятом или ректификатом.

Степень обогащения паровой фазы низколетучим компонентом при прочих равных условиях зависит от вида перегонки.