Оптимизация процесса экстрагирования при получении ингредиентов из растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Оптимизация процесса экстрагирования при получении ингредиентов из растительного сырья

Е.И. Цыбулько, Е.В Макарова, Т.П. Юдина, Ю.В. Бабин

Дальневосточная государственная академия экономики и управления (г. Владивосток) В.А Бураго

Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр (г. Владивосток)

В условиях воздействия неблагоприятных факторов производства, изменяющихся условий окружающей среды, повышенного нервно-эмоционального напряжения потребность человека в микро-нутриентах как важнейшем защитном факторе не только не снижается, но, наоборот, существенно возрастает. Дефицит микронутриентов в пищевом рационе человека приводит к дефициту жизненно важных биологически активных веществ в организме, что предопределяет развитие почти 70 % наиболее распространенных заболеваний [1]. Многие из антропогенных факторов (химические, радиационные) инициируют в организме свободнорадикальные и перекисные процессы, продукты которых нарушают механизмы передачи наследственной информации и метаболизм веществ в организме. Выведение из организма токсичных веществ — важнейший фактор поддержания и сохранения здоровья. Наиболее эффективный и безопасный путь нормализации функций организма и обеспечения выведения из организма продуктов обмена — использование комплексных многокомпонентных растительных препаратов, в состав которых наряду с другими входят вещества фенольной природы. Они отличаются низкой токсичностью, хорошо растворимы в воде (кроме рутина, кверцетина), обладают антиокси-дантной, антирадикальной, капилляроук-репляющей (Р-витаминной) активностью, образуют комплексы с тяжелыми металлами. Для них характерно также им-муномодуляторное, гепатозащитное, антитоксическое действие, смягчение проявления геморрагического синдрома, явлений иммунодефицита, нарушений эндокринной регуляции (уменьшают проявления лучевого гиперкортицизма, активизируют функцию тимуса). До настоящего времени актуальной остается проблема усиления профилактического потенциала питания в значительной степени за счет целебных свойств продуктов [2]. Фенольные соединения являются физиологическими синергистами аскорбиновой кислоты в антиоксидантном, сосудоукрепляющем, противолучевом

эффектах. Именно с соединениями фе-нольной структуры связана фито-химическая (целебная) активность многих пищевых продуктов растительного происхождения. Доказана перспективность применения в качестве пищевых добавок с антиокислительными свойствами продуктов переработки винограда, чая, кофе, какао, фруктов и овощей [3]. В растениях обнаружено свыше 4000 флавоноидов с идентифицированной химической структурой [4].

Наиболее доступными и массовыми продуктами, содержащими фенольные и другие биологически активные вещества, в России могут стать безалкогольные и чайные напитки, бальзамы и сиропы из дикорастущих, интродуцированных и культивируемых растений. Поэтому при разработке рецептур безалкогольных напитков и сиропов подбор ингредиентов был проведен нами на основе прогноза их химического состава, в том числе веществ, нормализующих окислительно-восстановительные процессы [5].

Традиционная технологическая операция извлечения БАВ при производстве си-

ропов из растительного сырья — экстрагирование, осуществляемое трудоемкими и, главное, длительными методами перко-ляции и мацерации [6], при которых усиливается действие деструктивных факторов, таких, как окисление, разрушение БАВ ферментами, их инактивация.

В связи с этим целью исследований была оптимизация процесса экстрагирования по содержанию сухих растворимых веществ в экстракте из растительного сырья и максимальному сохранению в их составе суммарной фракции фенольных соединений.

В качестве объектов исследований использовали экстракты разработанной композиции, в состав которой входили плоды шиповника коричного, плоды бархата амурского, лист мяты перечной, лист смородины черной, трава зверобоя продырявленного, трава крапивы двудомной, зелень петрушки кудрявой, соцветия липы сердцевидной, цвет ромашки аптечной, побеги леспедецы двуцветной, корень солодки уральской. Сухое сырье измельчали, экстрагировали водой с температурой 98±2°С, при которой происходит лучшее сепарирование тканей и разрыв клеточных стенок экстрагируемого сырья, что облегчает течение диффузионного процесса.

Массовую долю сухих веществ определяли рефрактометрическим методом по ГОСТ 6687.2-90. Суммарное содержание полифенольных соединений определяли на спектрофотометре СФ-46 при длине волны 700 нм с помощью реактива Фолина-Чиколтео и выражали в мг-экв галловой кислоты, которые определяли по калибровочной кривой в диапазоне 0,7-20 мкг на пробу.

Определение вкусоароматических свойств проводили при разведении экст-

1.................."

/

/ ! ! '

/ ¡^ ____/

......-1.........................

' /

V....................■......................... ✓

20 30 40 50 60

Время экстрагирования, мин

Рис. 1. Динамика изменения концентрации сухих веществ в зависимости от

величины гидромодуля и времени экстрагирования.

Гидромодуль: 1 - 1/3; 2 - 1/5; 3 - 1/7; 4 - 1/10

2

7

6

5

4

1

3

2

1

0

ПИ]

шшитсиу 5 •

2004

■i 4

_______

У у' У

/ _______ А—

// //

L^ i

10 20 30

Время экстрагирования, мин

40

60

Рис. 2. Суммарное содержание полифенольных соединений в экстрактах при разных параметрах экстрагирования, мг/мл. Гидромодуль: 1 - 1/3; 2 - 1/5; 3 - 1/7; 4 - 1/10

ракта водой с температурой 20±2 °С (1 часть экстракта на 10 частей воды).

Динамика изменения концентрации сухих веществ композиции из дикорастущего и лекарственно-технического сырья в зависимости от времени экстрагирования для различных значений гидромодуля представлена на рис. 1. Количество извлеченных веществ пропорционально времени экстрагирования; однако после 30 мин наблюдается снижение скорости извлечения сухих веществ.

Наибольшая скорость экстракции в первые минуты объясняется, вероятно, тем, что происходят вымывание растворимых веществ из разорванных клеток и диффузия из легкодоступных мест; после 30 мин экстрагирования начинается диффузия из труднодоступных мест,

Параметр Варианты задачи

I II III

С0 3,52 1,70 3,26

С! 3,2 4,6 1,28

С2 0,23 5,25 6,87

С3 -2,88 -2,24 -1,3

С4 1,06 -2,76 -1,44

С5 -2,24 -5,12 -13,5

R2 0,84 0,86 0,98

Р 0,0005 0,003 0,004

^opt 43,9 53 36

r _ opt 3,5 4±1* 4±1*

h t opt 5* 4,9 4,7

y opt 4,5 4,4 4,3

*Значение, фиксированное в эксперименте.

чему соответствует падение скорости экстракции.

Результаты исследований суммарного содержания полифенольных соединений в экстрактах, полученных при различных гидромодулях и времени экстрагирования, представлены на рис. 2.

Предварительный анализ результатов исследований показал, что независимо от гидромодуля суммарный выход полифе-нольных соединений в течение первых 20-30 мин экстрагирования растет приблизительно линейно, после чего достигает насыщения.

В интервале от 30 до 40 мин их количество остается неизменным, после чего несколько снижается, что, вероятно, связано с их высокой реакционной способностью: возможны их конденсирование или образование комплексов с другими соединениями. При оценке ор-ганолептических свойств экстрактов было установлено, что в интервале от 25 до 35 мин экстрагирования вкус экстракта был приятным, свойственным входящим в композицию компонентам, с ярко выраженным ароматом трав; после 40-60 мин экстрагирования отмечали появления опалесценции, горький, вяжущий вкус, слабовыраженный аромат экстракта.

Основными показателями для разработки математической модели были выбраны массовая доля сухих растворимых веществ (СРВ) и суммарная фракция фенолов, (мг/мл) (переменная у). При одной и той же температуре воды (95...98 °С) менялись длительность экстрагирования (время настаивания степень измельчения (размер частиц г) и соотношение сырье: вода (величина гидромодуля 1:А).

Рассмотрены три варианта задачи, различающиеся выбором зависимой (объяс-

няемой) и (независимых) переменных, а также границами области аппроксимации: t < t < t1, r0 < r < r1, h0 < h < h

I — зависимая переменная — выход сухих веществ; независимые переменные — время, размер частиц: t0 = 0, tl = 60, r0 = 2, r1 = 10, h0 = h1 = 0.

II — зависимая переменная — выход сухих веществ; независимые переменные — время, величина гидромодуля: t0 = 20, t1 = 60, h0 = 4, h 1 = 7, r0 = r1 = 4±1.

III — зависимая переменная — выход полифенолов; независимые переменные и область аппроксимации те же, что в задаче II.

В качестве модельной функции, определяющей поверхность отклика, выбрана квадратичная зависимость, которую для задачи варианта I можно представить в виде

y (t, r) = c0 + c1T + c2p + c3T2 + c4Tp + c5p2,

где т = (t - t0)/(t1 - t0), p = (r - r0)/(r1 - r0).

Аналогично выглядят моделирующие функции для вариантов задачи II и III (с соответствующими заменами: r ^ h, r0 ^ h0, r1 ^ h1).

Результаты регрессионного анализа сведены в таблицу, в которой приняты следующие обозначения: R2 — коэффициент детерминации, F — значение F-ста-тистики, p — достигаемый уровень значимости F-критерия, t , r , h , — оп-

r r ' opt' opt' opt

тимальные (адекватные максимальному выходу) значения соответствующих параметров, yopt — значение выхода при оптимальных параметрах; варианты задачи соответствуют указанным выше вычислительным сценариям. Визуально о соответствии наблюдаемых значений и модельной функции можно судить по поверхности отклика, представленной на рис. 3.

5•2004

ПИВО " "ЛПИТКИ

5

3

2

1

0

0

При оценке результатов эксперимента и выборе оптимальных параметров на основании проведенных вычислений следует учитывать, что скорость экстракции СРВ в течение 60 мин неравномерна. Наиболее активно процесс протекает в первые 20-25 мин. После 30 мин настаивания массовая доля СРВ в экстракте изменялась незначительно. Оценочное время, за которое выход достигает 95 % от максимально возможного, согласно модели составляет около 30 мин (для задачи III — около 42 мин). Кроме того, при математическом моделировании не учитываются органолептические показатели качества продукции.

Таким образом, при соотношении сы-рье:вода, равном 1:5, и измельчении до размера частиц 3-5 мм после 30 мин экстрагирования выход фенольных веществ близок к максимальному, экстракты из композиции дикорастущего сырья имеют приятные гармоничный вкус и аромат. В сиропах, приготовленных на основе экстрактов по заданным параметрам, сохраняется суммарное содержание полифенольных соединений — 4,1 мг/мл.

Модификация технологии сиропов за счет оптимизации параметров экстрагирования, с одной стороны, позволяет сохранить полифенольный комплекс дикорастущего и лекарственно-технического сырья; создать продукты профилактической направленности для массового потребления (с общеукрепляющими, гепа-топротекторными, антиоксидантными свойствами) и расширить их ассортимент, а с другой — способствует развитию отечественной безалкогольной промышленности за счет использования нетрадиционного, ежегодно возобновляемого растительного сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тутельян В.А., Спиричев В.Б., ШатнюкЛ.Н. Коррекция микронутриентного дефицита — важнейший аспект концепции здорового питания населения России / /Вопросы питания.

1999. № 1. С. 3-11.

2. Маюрникова А.А., Гореликова Г.А. и др. Применение экстрактов растительного сырья в качестве биологически активных добавок к пище / /Хранение и переработка сельхозсырья.

2000. №5. С. 41-42.

3. M.G.L.Hertog, D.Kromhout et al. Flavonoid intake and long-term risk of coronary heart disease and cancer in the Seven Countries Study//Archives of Internal Medicine. 1995. 155, 381-386.

4. Филиппова Р.Л, Филатова ИА,Колеснов А.Ю. Значение в профилактике заболеваний фенольных соединений плодов и ягод//Пищевая промышленность. 1999. № 8. С. 62-64, 2000. № 3. С.42-44, 2000. №8. С.35-37.

5. Макарова Е.В., Транковская Л.В, Косола-пов А.Б., Юдина Т.П., Цыбулько Е.И. Сироп полифункционального действия для профилактики экопатологических состояний//Вестник ДВГАЭУ. № 3. 2002.

6. Муравьева ИА. Технология лекарств. — Изд.3-е пе-рераб. и доп. Т.1. — М.: Медицина, 1980. (¡шТ

Российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное учреждение ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПИВОВАРЕННОЙ, БЕЗАЛКОГОЛЬНОЙ И ВИНОДЕЛЬЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

(ГУ ВНИИ ПБ и ВП)

ОБЪЯВЛЯЕТ ПРИЕМ в аспирантуру по специальности

05.18.07 — Биотехнология пищевых продуктов

(алкогольная и безалкогольная промышленность)

Телефон для справок (095) 246-87-82

ПИ

шшитсиу 5 •

2004