CC BY
47
УДК 615.451.16:616-089.87
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ГИДРОФИЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ЯГОД ЧЕРНИКИ ГОРНОГО КАВКАЗА
В.Г. Хведелидзе, Д.Р. Тавдидишвили
Кутаисский государственный университет им.А.Церетели,
4600, г. Кутаиси, Грузия, Тамар мепис, 59. [email protected].
С использованием математических методов планирования эксперимента реализована матрица центрального композиционногоротатабельного планирования и получены адекватные уравнения регрессии, описывающие процесс экстрагирования ягод черники обыкновенной из высокогорных регионов Западной Грузии (антиоксидантная активность экстракта и выход гидрофильных биологически активных веществ) с учетом влияющих на процесс факторов: температуры и продолжительности экстрагирования, соотношения экстрагент сырье и условия предварительной подготовки сырья к экстрагированию. При этом, экстрагентом служила 40% этанол в кислой минеральной гидрокарбонатной, борной кислотой, средней минерализацией (5-15 мг/л) воде Борджоми-Уцерского типа с pH=3,5-4,5. Методом Неопределенных множителей Лагранжа найдены оптимальные значения факторов и параметров оптимизации. Табл.3. Библиогр. 6. назв.
Ключевые слова: черника; экстракция; планирование и оптимизация эксперимента; антиоксидантная активность; выход экстракта; экстрагент; кислая минеральная вода; этанол.
OPTIMIZATION OF EXTRACTION OF BIOLOGICALLY ACTIVE HYDROPHILIC SUBSTANCES FROM MOUNTAINOUS CAUCASUS BLUEBERRIES
V.G. Khvedelidze, D.R. Tavdidishvili
A.Tsereteli Kutaisi State University,
59, Tamar Mepis, Kutaisi, 4600, Georgia, [email protected].
The matrix of central composition rotatable planning and coincident regression equations to describe the extraction process of blueberries ordinary from high mountain regions of West Georgia were implemented. The antioxidant activity of the extract and the hydrophilic biologically active substances yield were used as modeling indexes. The temperature, duration, extractant : raw material ratio and pretreatment conditions of raw material were also considered. 40% ethanol solution in hydrocarbonate borate mineral water Borzhomi (average mineralization 5-15 mg/l, pH = 3,5-4,5) was used as an extractant. The optimal factors and optimization parameters values were found by the method of Lagrange. 3 tables. 6 sources.
Keywords: blueberries; extraction; planning and optimization of the experiment; the antioxidant activity; extract yield; extractant; acidic mineral water; ethanol.
ВВЕДЕНИЕ
Уникально высокая концентрация феноль-ных соединений (комплекса катехинов, антоциа-нов и др.) и их сильная антиоксидантная активность делает чернику (плоды, листья) не только ценным пищевым продуктом профилактического назначения, но и лечебным средством наиболее распространенных заболеваний человека, тех заболеваний, в патогенезе которых значительную роль играет свободно радикальное окисление, в частности, активация липидной перокси-дации. Сообщалось, что антоцианы уменьшают формирование тромбов, улучшают визуальную функцию, обладают сосудорасширяющими свойствами и могут проявлять положительные неврологические эффекты. Эксперименты in vitro также показали, что антоцианы приостанавливали рост раковых клеток и индуцировали их разрушение за счет апоптоза [1,2]. Положительные эффекты антоциановых пигментов совместно с комплексом катехинов могли быть связаны с их мощной антиоксидантной активностью, демонстрируемой в различном in vitro и в исследованиях in vivo [3-5].
Целью работы является исследование про-цессa оптимального экстрагирования биологиче-
ски активных гидрофильных веществ из плодов черники обыкновенной с использованием кислых минеральных вод Кавказа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для эксперимента использовали предварительно обработанные плоды черники высокогорных регионов Западной Грузии. Для максимального извлечения антоцианов используют кислотный гидролиз с использованием кислот (1-3 %), разрешенных в пищевой промышленности. Горы Кавказа богаты минеральными водами лечебно-профилактического назначения. В том числе гидрокарбонатными ^^3), борной кислотой, средней минерализации (5-15 мг/л) кислыми минеральными водами Борджоми-Уцерского типа с pH = 3,5-4,5. Для эксперимента в этой воде разбавляли этанол до 40% и использовали в качестве экстрагента, что исключает необходимость подкисления экстрагента, как правило, соляной или лимонной кислотами.
Исходя из цели работы, выбраны параметры оптимизации: антиоксидантная активность экстракта (АОА), которая определяется на приборе «ЦветЯуза-01аа» как соотношение
Таблица 1
Условия производственного эксперимента экстракции биологически активных веществ из ягод
черники обыкновенной
Факторы Температура Время T, мин Экстрагент/черника n, л/кг m
Кодированное обозначение X1 X2 X3 X4
Основной уровень 70 120 10 III
Интервал варьирования 10 20 1 I
сигнала исследуемого образца к сигналу стандартного вещества. Стандартным веществом был взят кверцетин; вторым критерием оптимальности взяли выход экстрактивных гидрофильных биологически активных веществ, которого определяли как количество сухого экстракта, полученного из 1 кг предварительно обработанных ягод черники - Е, мг/г. Целесообразность выбора второго критерия оптимальности оправдан тем обстоятельством, что на него полностью зависят физико-химические и технолого-коммерческие характеристики целевого продукта.
С учетом результатов лабораторных экспериментов и многолетнего опыта в области экстракции растительного сырья в матрицу планирования эксперимента вошли 4 фактора: температура (t, оС) и продолжительность (T, мин) экстракции; массовое соотношение экстрагента и сырья (n, л/кг); характер предварительной обработки плодов черники (m).
Исходя из практических ситуаций и с учетом литературных источников, выход биологически активных гидрофильных веществ в экстракте черники, в других равных условиях, уменьшается при предварительной обработке (сушка, диспергирование до 0,3-1,0 мм фракции) ягод по следующей последовательности (% от существующего, в пересчете на 10% влажности сырья):
I - сырая масса - 92-96 ;
II - высушенная в вакууме при 60 оС, масса - 82-88;
III - высушенная до 60 oC, масса - 72-75;
IY - высушенная до 80 oC, масса - 60-65;
Y - высушенная до 100 oC, масса - 45-55.
Следовательно, в условиях эксперимента
основным уровнем этого качественного фактора был взят III вариант, а остальным вариантам были присвоены следующие уровни: +1 - II вариант, -1 - IY вариант, +2 - I вариант, -2 - Y вариант (табл.1).
Что касается вибрации экстракционной массы в процессе экстракции, для интенсификации процесса, по результатам предварительных ла-
бораторных исследований приняли постоянными частоту колебаний 3 с-1 при амплитуде колебаний 1 мм. Вибрацию осуществляли с помощью закрепленного в корпусе экстрактора специального вибратора в течение 1 мин через каждый 10 мин.
Матрицей планирования эксперимента был выбран план центрального композиционного ро-татабельного планирования - наиболее удобный для реализации поставленной перед работой цели [6].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Реализация выбранной матрицы планирования, после отстранения несущественных эффектов, дала возможность представления технологического процесса экстракции гидрофиль-н ых биологически активных веществ из ягод черники адекватными уравнениями регрессии в кодированном масштабе в следующем виде:
AOA = 7,9 - 0,06X1 + 0,07X2 + 0,02 X3 + 1,0 X4 -- 0,2X1X2 - 0,08X12 - 0,2X22 - 0,6X32;
[S,
черника
/ Sэ
н]
(1)
Е = 405 + 10X1 + 12,5X2 + 6,3X3 + 16,5X4 - 2,5X1 X2 + 3,8X1X4 - 6,3X2X4 + 3X3X4 + 3X22 - 2X32;
[мг/г]
(2)
При этом, значимость коэффициентов уравнений (1) и (2) проверены по критерий Сть-юдента, а адекватность моделей - по критерий Фишера. Результаты статистической обработки для 0,95 вероятности показывают адекватность уравнений регрессии и их приемлемость для реализации поставленной перед работой цели (табл.2).
В уравнениях регрессии (1) и (2) переход от кодированных значений факторов к натуральным, с учетом условий эксперимента, производим по формулам:
X1 = (t - 70)/10; X2 = (T - 120)/20; X3 = n - 10. (3)
Таблица 2
Результаты статистической обработки экспериментальных данных
Показатели f1 f2 2 S y ррасч. рфит. ^31;0,95 a
АОА, sчерника/Sэтал°н 6 16 0,185 2,17 2,30 1,7 0,95
Е, мг/г 6 13 20,25 3,62 4,00 1,7 0,95
ТаблицаЗ
Значения параметров оптимизации по вариантам при оптимальных _значениях действующих факторов_
Варианты предварительной обработки сырья АОА §черника^эталон Е, мг/г
I 9,9 435
II 8,9 419
III 7,9 403
IY 6,9 387
Y 5,9 371
Поскольку нашей целью является получение экстракта комплекса биололгически активных веществ с максимальной, в пределах эксперимента, антиоксидантной активностью, проводим оптимизацию этого параметра, а выход экстрактивных веществ рассматриваем как ограничение и придаем ему определенное фиксированное значение в данном случае - в центре эксперимента.
Следовательно, задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом:
AOA максимум, при следующих ограничениях:
Е= 405 мг/г ; -2 < Хi < 2; i = 1, 2, 3, 4. (4)
Для решения задачи оптимизации использовали классический метод поиска экстремума целевой функции - метод неопределенных множителей Лагранжа. Для чего вводим вспомогательную функцию и задачу условного экстремума сводим к задаче безусловного экстремума. Имеем
Ф(Х^£) = AOA (XI) + £ [Э (XI) - 405], (5)
где £ - неопеделенный множитель Лагранжа, играет роль наравне с переменными Хк
Находим частные производные целевой функции (5) для всех переменных и приравниваем их к нулю. Получаем систему уравнений
дФ / дХ1 = 0;
дФ /д£ = 0. (6)
Из решений этой системы условия эксперимента и принятие ограничения удовлет-воряют следующие оптимальные значения факторов: температура экстрагирования - X-! = - 0,5; или t = 65 0С;
продолжительность экстрагирования - Х2 = 0; или Т = 120 мин;
«экстрагент/сырь е» - Х3 = 0,5; или п = 10,5 л/кг;
1. Induction of apoptosis in cancer cells by Bilberry (Vaccinium myrtillus) and the anthocyanins I N. Katsube, K. Iwashita, T. Tsushida, K. Yamaki, M. Kobori // J Agric Food Chem. 2003. Vol. 51. N 1. P. 68-75;
вариант предварительной обработки - Х4 = 1; или m = III.
Указанным значениям факторов, с учетом условий предварительной обработки экстрагируемого сырья - ягод черники, соответствуют значения параметров оптимизации, приведенные в табл.3.
Анализ диаграмм антиоксидантной активности экстрактов, полученных по разным вариантам предварительно обработанного сырья при оптимальных условиях экстрагирования показывает, что от Y варианта к I варианту увеличивается сила тока на рабочем электроде амперометрического детектора с 390-395 нА до 900...910 нА. Соответственно увеличивается АОА экстракта с 5,9 (Y вариант), до 9,9 (I вариант). При этом для анализа использовали 3% экстракты ягод черники и эталона -кверцетина.
В полученном экстракте, после экстракции ягод черники в оптимальных условиях, концентрация сухих веществ составляет, в среднем, 3,5-4,0%, что вполне соответствует паспортным данным серийных вакуум-выпарных установок для концентрирования водных экстрактов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Реализация центрального композиционного ротатабельного планирования эксперимента дала возможность получения характерного для описания технологического процесса экстрагирования ягод черники обыкновенной адекватные уравнения регрессии. При этом, экстра-гентом служил 40% этанол в кислой минеральной натриевой гидрокарбонатной, с борной кислотой, средней минерализацией (5-15 мг/л) воде Борджоми-Уцерского типа с pH=3,5-4,5. Методом неолределенных множителей Лагранжа решена компромиссная задача получения экстракта с максимальной антиоксидантной активностью при фиксированом значении выхода экстрактивных биологически активных гидрофильных веществ и получены оптимальные значения действующих на процесс факторов.
ЖИЙ СПИСОК
2. Tart cherry anthocyanins inhibit tumor development in Apc(Min) mice and reduce proliferation of human colon cancer cells I S. Y. Kang, N. P. Seeram, M. G. Nair, L. D. Bourquin II Cancer Lett. 2003. Vol. 194.
P. 13-19.
3. Dietary cyanidin 3-0-beta-D-glucoside increases ex vivo oxidation resistance of serum in rats I T. Tsuda, F. Horio, T. Osawa II Lipids.1998. Vol. 33. P. 583-588.
4. Effects of anthocyanins and other phenolic compounds on the production of tumor necrosis factor alpha in LPS/IFN-gamma-activated RAW 264.7 macrophages I J. Wang, G. J. Mazza II Agric. Food Chem. 2002. Vol. 50. P. 4183-4189.
5. Effect of lyophilised Vaccinium berries on memory, anxiety and locomotion in adult rats / M.R. Ramirez, I. Izquierdo, M.D. Raseira, J.A. Zuanazzi, D. Barros, AT. Henriques II Pharmacol Res. 2005. N 9. P. 59.
6. Khvedelidze V.G. Mathematical provision of Chemical Engineering Experiment / Kutaisi, Georgia, ATSU, 2011. P.106.
Поступило в редакцию 16 апреля 2013 г. После переработки 22 мая 2013 г.
