CC BY
72
УДК. 637.521.2
Исследование закономерности экстракции шиповника, сливы и виноградной косточки
А. У. Шингисов, д-р техн. наук, профессор, З. Т. Нурсеитова, канд. техн. наук, С. У. Еркебаева, канд. биол. наук, Э. У. Майлыбаева
Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова
В настоящее время на молочном рынке выпускаются в большом ассортименте различные кисломолочные продукты. Однако они относятся к скоропортящимся продуктам и имеют непродолжительные сроки хранения, даже при температуре 4...б °С [1]. Поэтому в настоящее время для продления сроков их хранения используются различные антиоксиданты растительного и искусственного происхождения [2]. Антиоксиданты, имеющиеся в арсенале пищевой промышленности, в основном применяются для продления сроков хранения мясных и рыбных продуктов, а для кисломолочных продуктов - в ограниченном количестве, к тому же используемые антиоксиданты являются искусственными. В связи с этим разработка технологии производства антиоксидантов из отечественного растительного сырья является актуальной проблемой для пищевой промышленности.
Республика Казахстан, в особенности Южно-Казахстанская область, богата разнообразными растениями, на ее территории выращивается множество растительных культур, которые являются сырьем для производства антиоксидантных веществ [3].
Анализ литературных данных показывает, что из культивируемых на юге Казахстана в качестве сырья для производства антиоксидантных веществ могут быть использованы фрукты - слива и красный виноград, а из лекарственных растений - шиповник [4].
В настоящее время на практике для извлечения из растительного сырья антиоксидантных веществ используются различные методы экстракции [5]. Сравнительный анализ способов экстракции показывает, что основными проблемами при экстрагировании растительного сырья являются полнота извлечения антиок-сидантных веществ и продолжительность процесса экстракции.
Анализ существующих методов экстракции растительного сырья с точки зрения сокращения продолжительности процесса и максимального выхода антиоксидантных веществ показал, что наиболее перспективным
является экстракция растительного сырья с применением низкочастотной ультразвуковой технологии [б, 7].
В пищевой промышленности такая технология используется для разрушения клеток, извлечения межклеточных компонентов, гомогенизации молочных продуктов, диспергирования сухого порошка в жидкости и в других процессах.
В данной работе с целью совершенствования существующей низкочастотной ультразвуковой технологии в нее дополнительно включена вакуумная система. Использование вакуума в низкочастотной ультразвуковой технологии создает кавитацию и турбулентные потоки в жидком экстрагенте, в результате чего происходит быстрое набухание сырья и растворение содержимого клетки, увеличивается скорость обтекания частиц сырья, в пограничном диффузионном слое возникают турбулентные и вихревые потоки. Молекулярная диффузия внутри частиц сырья и в пограничном диффузионном слое практически заменяется конвективной, что приводит к интенсификации массообмена. В результате кавитации происходит разрушение клеточных структур, что ускоряет процесс перехода полезных веществ в экстрагент за счет их вымывания. Сильные турбулентные течения, гидродинамические потоки способствуют переносу масс, растворению веществ, происходит интенсивное перемешивание содержимого даже внутри клетки, чего невозможно достичь другими способами экстракции. Кроме того, изменение давления при сжатии и разрежении при прохождении волны ультразвука может вызывать эффект губки, при котором улучшается проникновение экстрагента в сырье [8].
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что использование вакуума в низкочастотной ультразвуковой технологии сокращает продолжительность процесса экстракции и создает условия для максимального выхода антиоксидантных веществ из растительного сырья. Для подтверждения данного положения проведены экспериментальные иссле-
дования по экстракции шиповника, сливы и виноградных косточек.
Исследования проводились двумя методами: методом мацерации, т.е. вымачивания (традиционный) и с использованием низкочастотной ультразвуковой технологии с применением вакуума (предлагаемый).
В традиционном методе исследуемые образцы помещали в стеклянную посуду и заливали кипяченой водой, после чего нагревали на водяной бане в течение 15 мин. Полученный экстракт охлаждали при комнатной температуре в течение 45 мин, процеживали, а оставшееся сырье отжимали. Затем определяли содержание аскорбиновой кислоты и сухих веществ полученного экстракта.
В качестве параметров, характеризующих выход антиоксидантных веществ при экстракции исследуемых образцов, выбраны: аскорбиновая кислота и сухие вещества, которые содержат полифенолы, каротиноиды и другие активные вещества.
Объектами исследования были выбраны: виноградные косточки, которые являются отходами винза-вода южного региона ТОО «Caspian Foods», высущенная слива (чернослив), производимая ИП «Халмурза-ев», и шиповник, реализуемый ТОО «Зерде» и ТОО «Planta».
Содержание аскорбиновой кислоты и сухих веществ в экстракте изучалось на базе испытательной региональной лаборатории инженерного профиля «Конструкционные и биохимические материалы» при ЮКГУ им М. Ауэзова на высокоэффективном жидкостном хроматографе (ВЭЖХ).
Для исследования процесса извлечения антиоксидантных веществ из растительного сырья была создана низкочастотная вакуум-ультразвуковая экспериментальная установка (рис. 1).
Перед экспериментом растительное сырье измельчают в мельнице при скорости вращения ножа 17000 об /мин в течение 6-8 мин до грану-
INNOVATIVE TECHNOLOGIES AND RESEARCH METHODS
10 12,5 17,5 20 22,5 25 27,5 30 32,5 Содержание шиповника в экстракте, % а
Содержание сливы в экстракте, % б
и Содержание виноградной косточки в экстракте, % в
Рис. 2. Выход аскорбиновой кислоты при экстракции шиповника (а), сливы (б) и виноградной косточки (в) традиционным (1) и предлагаемым (2) методами
Содержание шиповника в экстракте, % Содержание сливы в экстракте, % Содержание виноградной косточки в экстракте, %
а б в
Рис. 3. Выход сухих веществ при экстракции шиповника (а), сливы (б) и виноградной косточки (в) традиционным (1) и предлагаемым (2) методами
лометрического состава 1,75+2.0 мм. Далее, поместив исследуемое сырьё в емкость 3, заливают 40 %-ным водно-спиртовым раствором и настаивают в течение 4 ч. Затем емкость с сырьем помещают в предварительно нагретую до 38...40 °С изотермическую ванну 1. Открыв кран водопроводной сети, включают в работу водяной холодильник 4. После закрытия вакуумного пропускного клапана 6 запускают вакуумный насос 7. Замерив остаточное давление в системе (остаточное давление Р=76 мм рт. ст.) манометром 5 и установив продолжительность обработки сырья ультразвуком в течение 15 мин (частота 35 кГц, интенсивность 70 Вт/ см2), включают низкочастотный ультразвуковой аппарат 2. После истечения заданного времени обработки ультразвуком исследуемого сырья, отключив вакуммный насос 7, открывают вакуумный пропускной клапан 6 и вынимают емкость с экстрактом 3. Экстракт процеживают через сито и оставшееся сырье отжимают. Полученный экстракт подвергают физико-химическому анализу.
Результаты содержания аскорбиновой кислоты в образцах экстрактов шиповника, виноградной косточки и сливы традиционным и предлагаемым методами были представлены в виде графической зависимости
между выходом аскорбиновой кислоты и процентным содержанием сырья в экстрагенте (рис. 2).
Результаты содержания сухих веществ в экстрактах шиповника, сливы и виноградных косточек представлены на рис. 3.
Анализ представленных на рис. 2 данных показывает, что с увеличением процентного содержания шиповника, сливы и виноградной косточки в экстракте закономерность выхода аскорбиновой кислоты изменяется неоднозначно. Например, если в предлагаемом методе при экстракции экстрагента с содержанием 10% шиповника выход аскорбиновой кислоты составляет 1,25 мл/л, то при повышении его содержания до 20 % она увеличивается до 3,5 мл/л, т. е. выход аскорбиновой кислоты в рассматриваемом диапазоне увеличивается в 2,8 раза. Дальнейшее повышение содержания шиповника от 20 до 30% приводит к увеличению выхода аскорбиновый кислоты в 1,79 раза. Однако экстрагент становится густым, и при отделении его после экстракции выход экстракта составляет незначительную часть массы продукта.
Анализ закономерности экстракции виноградных косточек показывает, что она по характеру кривой отличается от закономерности вы-
хода аскорбиновой кислоты при экстракции шиповника. Например, если в интервале содержания виноградной косточки в экстракте 10—20 % выход аскорбиновой кислоты увеличивается в 1,96 раза, то в диапазоне 20-30% она составляет 1,19%. Однако в этом интервале процентного содержания виноградной косточки в экстрагенте, как и в предыдущем случае, экстрагент становился густым. При отделении после экстракции выход экстракта, как и предыдущем случае, составлял незначительную часть массы продукта.
Исследования экстракции чернослива показывают, что с повышением содержания чернослива в экстрагенте от 10 до 20% выход аскорбиновой кислоты растет от 0,7 до 1,08 мл/л, т. е. увеличивается на 1,54%. При дальнейшим повышении содержания чернослива до 30% выход аскорбиновой кислоты увеличивается на 11% и составляет 1,2 мл/л по сравнению с 20%-ным содержанием чернослива. Исследования по дальнейшему увеличению содержания в эстрагенте показали, что экстрагент становится жиже, и дальнейшее отделение экстракта от остальных составляющих после его экстракции представляется невозможным.
Анализ данных, представленных на рис. 3, показывает, что если кине-
тика закономерности выхода сухих веществ сливы и виноградной косточки при экстракции имеет приблизительно одинаковый характер, то у шиповника она иная. При повышении процентного содержания сливы и виноградной косточки в экстрагенте от 10 до 20% выход сухих веществ увеличивается соответственно с 16,0 до 19,0%, т. е. в 1,19 раза, и с 12,0 до 12,5%, т. е. в 1,02% раза, а дальнейшее повышение их содержания с 20 до 30% приводит к увеличению выхода сухих веществ соответственно в 1,26 и 1,20 раза. В диапазоне содержания сливы и виноградной косточки 10-30% выход сухих веществ увеличивается соответственно в 1,5 и 1,25 раза.
Анализ закономерности выхода сухих веществ шиповника показывает, что с повышением его процентного содержания в экстрагенте от 10 до 20% выход сухих веществ увеличивается всего в 1,02 раза. Дальнейшее повышение его содержания в экстрагенте от 20 до 30% приводит к возрастанию выхода в 1,04%, а в интервале его содержания 1030% - к увеличению выхода сухих веществ всего в 1,06 раза.
Из рис. 1 и 2 также видно, что в предлагаемом методе экстракции выход аскорбиновой кислоты и сухих веществ из шиповника, сливы и виноградной косточки в несколько
раз больше, чем при традиционном методе. Например, при экстракции экстрагента с 20%-ным содержанием шиповника выход аскорбиновой кислоты и сухих веществ в традиционном методе составляет соответственно 2,16 мл/л и 6,5%, то в предлагаемом методе их выход увеличивается соответственно в 1,62 и 2,51 раза и составляет 3,5 мл/л и 16,3%. При экстракции экстрагента с 20%-ным содержанием сливы в традиционном методе выход аскорбиновой кислоты и сухих веществ составляет соответственно 0,91 мл/л и 8,0%, а в предлагаемом методе эти показатели увеличиваются в 1,19 и 2,38 раза. Сравнительный анализ методов экстракции 20%-ного содержания виноградной косточки в экстрагенте показывает, что в предлагаемом методе выход аскорбиновой кислоты и сухих веществ увеличивается соответственно в 6 и 3,29 раза по сравнению с традиционным методом.
Таким образом, на основании анализа закономерности выхода аскорбиновой кислоты и сухих веществ можно сделать вывод о том, что при экстракции шиповника, сливы и виноградной косточки оптимальным внесением в экстрагент являются дозировки: шиповника -20%, чернослива - 30% и виноградных косточек - 20% массы продукта. Сравнительный анализ методов экстракции показывает, что если в пред-
ложенной технологии выход аскорбиновой кислоты повышается в 1,19-6,0 раза, то выход сухих веществ увеличивается в 2,38-3,29 раза по сравнению с традиционным методом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сеитов, З. С. Кумыс. Шубат/З. С. Се-итов. - Алматы, 2005. - 288 с.
2. Пучкова, Т. В. Энциклопедия косметических ингредиентов/Т. В. Пучкова [и др.]. - М.: Школа косметических химиков, 2007. - 320 с.
3. Грудзинская, Л. М. Список лекарственных растений Казахстана (Справочное издание)/Л. М. Грудзинская, Н. Г. Ге-меджиева. - Алматы, 2012. - 380 с.
4. Мурзахметова, М. К. Антиокси-дантые свойства новых пищевых доба-вок/М.К. Мурзахметова, А. В. Витавская, Р. М. Шайхынбкова, В. К. Турмухамбето-ва // Здоровье и болезнь. - 2005. - № 3 (40). - С. 85-87.
5. Плаксин, Ю. М. Процессы и аппараты пищевых производств - 2-е изд. пе-рераб. и доп./Ю. М. Плаксин [и др.]. -М.: Колос, 2007. - 760 с.
6. Медведева, Л. Л. Перспективы разработки продуктов питания с использованием экстрактов лекарственных растений/Л. Л. Медведева, Л. В. Рыжова, Е. В. Аникина // Вопросы питания. -1995. - № 3. - С. 31-34.
7. Слесаренко, И. Б. Исследование ре-сурсо- и энергосберегающих технологий в пищевой промышленности/И. Б. Слесаренко, В. В. Слесаренко // Фундаментальные исследования. - 2008. - № 5. -С. 46-47.
8. Агрант, В. А. Ультразвуковая технология/В. А. Агрант. - М.: Металлургия, 2002. - 502 с.
Исследование закономерности экстракции шиповника, сливы и виноградной косточки
Ключевые слова
антиоксидант; виноградные косточки; чернослив; шиповник; экстракт
Реферат
Республика Казахстан богата разнообразными растениями; на ее территории выращивается множество растительных культур, которые являются сырьем для производства антиоксидантных веществ. Авторами исследованы закономерности экстракции шиповника, сливы и виноградной косточки. Сравнительный анализ способов экстракции показывает, что основными проблемами при экстрагировании растительного сырья являются полнота извлечения антиоксидантных веществ и продолжительность процесса экстракции. Например, если при экстракции экстрагента с содержанием 20% шиповника выход аскорбиновой кислоты и сухих веществ в традиционном методе составляет соответственно 2,16 мл/л и 6,5%, то в предлагаемом методе их выход увеличивается соответственно в 1,62 и 2,51 раза и составляет 3,5 мл/л и 16,3%. При экстракции экстрагента с содержанием 20% сливы при традиционном методе выход аскорбиновой кислоты и сухих веществ составляет соответственно 0,91 мл/л и 8,0%, а в предлагаемом методе эти показатели увеличиваются в 1,19 и 2,38 раза. Сравнительный анализ методов экстракции 20%-ного содержания виноградной косточки в экстрагенте показывает, что в предлагаемом методе выход аскорбиновой кислоты и сухих веществ увеличивается соответственно в 6 и 3,29 раза по сравнению с традиционным методом.
Авторы
Шингисов Азрет Утебаевич, д-р техн. наук, профессор,
Нурсеитова Зеймеп Туреханкызы, канд. техн. наук, Еркебаева
Сапаркуль Умиртаевна, канд. биол. наук,
Майлыбаева Эльмира Усишбаевна,
Южно-Казахстанский государственный университет
им. М. Ауезова, 160012, Казахстан, г. Шымкент, пр. Тауке-хана,
д. 5, azret_utebai. @mail.ru
Research of Dogrose, Plum and Grape Seed Extraction Patterns Key words
antioxidant; rosehip; plum; grape seeds; extract
Abstracts
The article investigated regularities of extraction of plum and grape seeds. In the proposed method, the extraction yield of ascorbic acid and solids from a rosehip, and grape seeds is several times larger than the conventional method. For example, extraction with an extractant containing 20% of rosehip, yield of ascorbic acid and dry matter in the conventional method, respectively, is 2.16 ml/L and 6.5%, and in the proposed method increasing the output is, respectively, 1.62 and 251 times and composes 3.5 ml/l and 16.3%. In the extraction with an extractant containing 20% plum, in the traditional method, the output of ascorbic acid and solids are respectively 0.91 ml/l and 8.0% in the proposed method these indicators increased to 1.19 and 2.38 times. Comparative analysis of the extraction methods with 20% content of grape seeds in the extractant shows that the proposed method and the yield of ascorbic acid solids increases respectively 6 and 3.29 times as compared with the conventional method
Authors
Shingisov Azret Utebaevich, Doctor of Technical Science, Professor, Nurseitova Zeymep Turekhankyzy, Candidate of Technical Science, Erkebaeva Saparkul Umirtaevna, Candidate of Biological Science, Maylybaeva El'mira Usishbaeva,
South Kazakhstan State University named after M. Auezov, 5, Pr. Tauke-Khana, Shymkent, Kazakhstan, 160012, azret_utebai. @mail.ru
