CC BY
2
УДК 663.3 DOI 10.24412/2311-6447-2024-4-272-277
Технологическое оборудование для экстракции в плодово-ягодном виноделии
Technological equipment for extraction in fruit and berry winemaking
Аспирант А.А. Белоусов Нижегородский государственный инженерно-экономический университет aleks_belyj_9 0@mail. ru
Postgraduate student A.A. Belousov Nizhny Novgorod state university of engineering and economics aleks_belyj_9 0@mail. ru
Аннотация. В статье анализируются особенности технологического процесса экстракции в плодово-ягодном виноделии. Качество вина зависит от наличия летучих соединений, влияющих на аромат, и от фенольных соединений, которые влияют на вкусовые ощущения, цвет, вкус и потенциал выдержки. Экстракция и ферментация компонентов винограда являются наиболее важным шагом в процессе формирования вкусо-ароматических свойств вина. В процессе экстракции одно или несколько соединений переходят из биологического сырья в растворитель. На выбор растворителя влияют максимальная селективность, стабильность и химическая инертность, простота восстановления целевого вещества из экстракта и простота отделения растворителя от рафината. В плодово-ягодном виноделии можно использовать как традиционные, так и новые методы экстракции. Традиционные методы основаны на одновременном применении растворителя и тепла. Они время- и энергозатраты, обладают низкой селективностью, малой чистотой экстракции и низкой экологичностью. Новые методы экстракции обладают большей селективностью, позволяют получать более высокий выход целевых веществ, сокращать время обработки, потребление энергии, использование вредных и дорогостоящих растворителей, подходят для экстракции термолабильных соединений, что обеспечивает получение высококачественного вина более экологичным способом.
Abstract. The article analyzes the features of the technological process of extraction in fruit and berry winemaking. Wine quality depends on the presence of volatile compounds affecting the aroma, and on phenolic compounds that affect the taste, color, flavor and aging potential. Extraction and fermentation of grape components are the most important step in the process of forming the taste and aroma properties of wine. During the extraction process, one or more compounds pass from biological raw materials into the solvent. The choice of solvent is influenced by maximum selectivity, stability and chemical inertness, ease of recovery of the target substance from the extract and ease of separation of the solvent from the raffinate. In fruit and berry winemaking, both traditional and new extraction methods can be used. Traditional methods are based on the simultaneous use of solvent and heat. They are time- and energy-consuming, have low selectivity, low purity of extraction and low environmental friendliness. New extraction methods are more selective, allow for a higher yield of target substances, reduce processing time, energy consumption, the use of harmful and expensive solvents, and are suitable for the extraction of heat-labile compounds, which ensures the production of high-quality wine in a more environmentally friendly way.
Ключевые слова: плодоовощные экстракты, экстракция, плодово-ягодное виноделие, сырье, методы экстракции
Keywords: fruit and vegetable extracts, extraction, fruit and berry winemaking, raw materials, extraction methods
Качество вина зависит от наличия летучих соединений, влияющих на аромат, и от фенольных соединений, которые влияют на вкусовые ощущения, цвет, вкус и потенциал выдержки [1]. Фенольные соединения в основном находятся в кожице и семенах виноградных ягод и извлекаются во время экстракции в ферментирующее
© А.А. Белоусов, 2024
сусло. Хотя каждый шаг в виноделии оказывает значительное влияние на результат готового продукта, можно считать, что экстракция и ферментация компонентов винограда являются наиболее важным шагом в процессе формирования вкусо-арома-тических свойств. Это обуславливает необходимость улучшения контроля ферментации во время производства вина, чтобы оптимизировать результат экстракции из виноградных сухих веществ.
Цель работы - изучение особенностей технологического процесса экстракции в плодово-ягодном виноделии. Для её достижения были использованы структурно-функциональные и теоретические методы исследования: анализ, обобщение и синтез литературы в области пищевой технологии.
В пищевой промышленности экстракция определяется как перенос одного или нескольких компонентов вещества из исходного материала в жидкую фазу с последующим разделением жидкой фазы и извлечением целевых компонентов из жидкости [2]. Экстракция более энергоэффективна, чем конкурентные процессы, такие как выжимка. Например, сахар извлекается из сахарной свеклы с помощью горячей воды, что дает поток сахарозы, свободный от загрязнений и более высокой концентрации (обычно 15% сахара), чем можно достичь выжимкой. Экстракцию растворителем можно сделать селективной для определенных компонентов вещества.
В процессе экстракции одно или несколько соединений переходят из биологического сырья в растворитель. Физический процесс, лежащий в основе переноса, заключается в том, что концентрация растворенного вещества в растворителе меньше его концентрации в сырье, поэтому растворенное вещество диффундирует из сырья в растворитель. Растворитель должен быть способен растворять целевое вещество. Чем лучше растворимость целевого вещества в растворителе, тем меньше растворителя требуется для извлечения заданного количества вещества. Также на выбор растворителя влияют следующие факторы [3]:
1. Максимальная селективность. Оптимально, если растворитель растворяет целевое вещество предпочтительно по сравнению с другими потенциально растворимыми веществами, содержащимися в сырье.
2. Стабильность и химическая инертность относительно целевого вещества. Растворитель не должен неблагоприятно влиять на свойства растворенного вещества.
3. Простота восстановления целевого вещества из экстракта в случаях, когда желаемым продуктом является растворенное вещество. Если растворенное вещество не является термически лабильным, растворитель можно восстановить и отделить путем перегонки. Также восстановление растворителя может происходить посредством экстрактивной дистилляции.
4. Простота отделения растворителя от рафината — исходного материала после экстракции. Обычно разницы в плотности достаточно для обеспечения высокой степени разделения, хотя в некоторых случаях разница настолько мала, что необходимо использовать центрифуги. Они также требуются, когда рафинат представляет собой пульпу, которая имеет тенденцию захватывать экстракт. Может быть необходимо промыть такую пульпу свежим растворителем, чтобы извлечь захваченный экстракт, особенно если требуется высокий выход растворенного вещества. Если рафи-нат достаточно жидкий, остаточный растворитель можно удален путем адсорбции на твердом веществе, таком как активированный уголь или глина. В крайних случаях может потребоваться использовать второй растворитель, который имеет очень низкую растворимость в рафинате, чтобы удалить первый растворитель.
На качество технологического процесса экстрагирования влияют такие параметры, как степень измельчения растительного сырья, соотношение системы сырье /экстракт и температура экстрагирования [4]. Измельчение сырья позволяет ускорить процесс экстрагирования за счет уменьшения пути диффузии частиц внутри растительных тканей и увеличения общей площади контакта между растворителем и сырьем. Повысить движущую силу процесса можно путем достижения максимальной
разности концентраций целевых веществ в сырье и растворе. При максимальном с учетом технологических условий повышении температуры возрастает коэффициент диффузии, вследствие чего экстрагирование протекает быстрее.
В плодово-ягодном виноделии можно использовать как традиционные, так и новые методы экстракции. Основными традиционными методами экстракции являются метод Сокслета, мацерация и гидродистилляция. Традиционные методы основаны на одновременном применении растворителя и тепла. Процесс извлечения соединений из твердого сырья включает несколько этапов: введение растворителя в матрицу, растворение соединений, перемещение растворенного вещества изнутри матрицы наружу посредством диффузии, перенос соединений с внешней поверхности частицы в растворитель посредством конвекции, отделение экстракта от растворителя посредством испарения, если растворитель имеет более низкую температуру кипения, чем извлекаемое соединение. Несмотря на широкое распространение, традиционные методы время- и энергозатратны, требуют большого объема растворителя, обладают низкой селективностью, малой чистотой экстракции, плохо подходят для чувствительных к теплу ингредиентов и не являются экологически чистыми [5].
Ограничения традиционных методов экстракции можно преодолеть, используя новые методы, такие как микроволновая экстракция, экстракция под высоким давлением, экстракция импульсными электрическими полями, омический нагрев, экстракция горячей водой под давлением, сверхкритическая флюидная экстракция, ультразвуковая экстракция и использование природных глубоких эвтектических растворителей. Новые методы экстракции имеют преимущества в виде более высоких выходов и селективности по сравнению с традиционными процедурами и подходят для экстракции термолабильных соединений. Например, когда экстракция с помощью ультразвука была применена к яблочным выжимкам для получения экстрактов, богатых фенольными соединениями, было обнаружено, что содержание фенолов в экстракте, полученном с помощью этой новой процедуры, было на 30% выше, чем содержание, полученное с помощью традиционного метода экстракции мацерацией. Кроме того, с помощью анализа ВЭЖХ было выявлено, что, в отличие от традиционного метода, ультразвук не разрушал полифенолы экстрактов в применяемых условиях.
Микроволновая экстракция — это процесс, который использует температуру для извлечения полярных соединений [6]. При его реализации электромагнитная энергия в диапазоне частот 300 МГц и 300 ГГц преобразуется в тепло посредством ионной проводимости и дипольного вращения. К преимуществам метода относятся снижение температурных градиентов, уменьшение размера оборудования и увеличение выхода экстракта. Микроволновая экстракция виноградного сырья с использованием полярных растворителей, таких как этанол и вода, позволяет получать экстракты, богатые флавоноидами.
Высоконапорная экстракция основана на изостатическом принципе и принципе Ле Шателье [7]. При этом методе тепло не используется, чтобы избежать его пагубного воздействия на биоактивные соединения. При воздействии высоких давлений в диапазоне от 100 до 800-1000 МПа матрицы могут претерпевать структурные изменения: разрушение растительных тканей, денатурацию белка, клеточную деформацию, повреждение клеточных мембран и органелл, увеличение переноса растворителя в материалы и растворимых компонентов в растворители. Метод может использоваться для экстракции антоцианов из виноградной кожуры.
Омический нагрев основан на использовании переменного тока для внутренней генерации тепла [8]. Метод связан с менее агрессивной тепловой обработкой, чем традиционные методы, поскольку обеспечивает равномерный и быстрый нагрев, избегая денатурации термочувствительных веществ, включая фенольные соединения.
При методе импульсных электрических полей электрические поля прикладываются к сырью, помещенному между двумя электродами [9]. Метод выполняется при температуре окружающей среды или немного выше в течение менее чем 1 с. Воздействие на растительные клетки определенного электрического поля приводит к элек-тропорации — повреждению клеточных мембран с обратимым или необратимым образованием пор. При экстракции полифенолов из винограда метод импульсных электрических полей позволяет получить значительно больше общих полифенолов и фла-воноидов, повысить антиоксидантную способность.
Метод сверхкритической флюидной экстракции использует сольватацию интересующих соединений в растворителе, поддерживаемом выше его критического давления и температуры [10]. Растворитель немедленно восстанавливается, когда система возвращается в атмосферные условия. Одной из наиболее часто используемых сверхкритических жидкостей является углекислый газ — дешевый экологически чистый растворитель, который легко достигает критической точкой (при 31°C и 7,4 МПа), не горит, нетоксичен и неканцерогенен. Преимуществами этого метода являются короткое время экстракции, небольшое количество требуемого растворителя, экологичность и быстрое восстановление растворителя. Основные недостатки связаны с высокой стоимостью оборудования и эксплуатации, а также сложной оптимизацией.
Ультразвук может использоваться для улучшения тепло- и массопереноса в растениях путем разрушения их клеточных стенок посредством эффекта кавитации. Метод способствует большему проникновению растворителя в клеточный материал и сокращению времени обработки, что приводит к лучшему выходу экстракции и воспроизводимости. Он сводит к минимуму использование растворителей и расход эмульгатора, обеспечивает высокую производительность экстракции, экстракцию термолабильных компонентов, значительную экономию благодаря снижению энергозатрат, поэтому является экологичным и экономически эффективным методом обработки. Ультразвук можно легко объединить с существующим технологическим оборудованием завода или настроить в качестве новой производственной линии. По сравнению с традиционным методом механическим перемешиванием при 50°C ультразвуковая экстракция в 8 раз быстрее. Для увеличения выхода экстракции может быть проведена ферментативная предварительная обработка остатка, за которой следует ультразвуковая экстракция в сочетании с микроволновой [11].
Таким образом, новые технологии экстракции в плодово-ягодном виноделии предлагают множество преимуществ, таких как сокращение времени обработки, потребления энергии, использования вредных и дорогостоящих растворителей. Они повышают эффективность экстракции полифенолов, флавоноидов, флавонолов, сахаров, минералов и каротиноидов из плодового-ягодного сырья. Это способствует экологической эффективности производства, значительно увеличивает выход биоактивных ингредиентов, сохранение фенольных и ароматических веществ в нативном состоянии, что обеспечивает получение высококачественного вина.
ЛИТЕРАТУРА
1. Unterkofler, J., Muhlack R.A., Jeffery D.W. Processes and purposes of extraction of grape components during winemaking: current state and perspectives. // Appl Microbiol Biotechnol. - 2020. - vol. 104. - no. 11 - pp. 4737-4755. DOI: 10.1007/s00253-020-10558-3
2. Lebovka, N., Vorobiev E., Chemat F. Enhancing Extraction Processes in the Food Industry. // Taylor & Francis Group, 2012. - 500 p.
3. Popova, M., Bankova V. Contemporary methods for the extraction and isolation of natural products. // BMC Chem. - 2023. - vol. 17. - no. 1: 68. DOI: 10.1186/s13065-023-00960-z
4. Бочаров, В.А. Сравнительная характеристика вариантов подготовки сырья из вишни в целях повышения качества сладкой настойки / В.А. Бочаров, Ю.С. Клюева, А.Ю. Строилов. - Текст: непосредственный // Азимут научных исследований: экономика и управление. - 2015. - № 1 (10). - С. 31-33.
5. Rodriguez Garcia S.L., Raghavan V. Green extraction techniques from fruit and vegetable waste to obtain bioactive compounds - A review. // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. - 2021. - vol. 62, no. 23. - pp. 6446-6466. DOI: 10.1080/10408398.2021.1901651
6. Pezzini V., Agostini F., Smiderle F., Touguinha L., Salvador M., Moura S. Grape juice by-products extracted by ultrasound and microwave-assisted with different solvents: a rich chemical composition. // Food Sci Biotechnol. - 2018. - vol. 28, no. 3. - pp. 691699. DOI: 10.1007/s10068-018-0531-x
7. Castro L.M.G., Alexandre E.M.C., Saraiva J.A., Pintado M. Impact of High Pressure on Starch Properties: A Review. // Food Hydrocoll. - 2020. - vol. 106: 105877. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2020.105877
8. Pereira R.N., Teixeira J.A., Vicente A.A., Cappato L.P., Ferreira M.V.S., Rocha R.S., da Cruz A.G. Ohmic Heating for the Dairy Industry: A Potential Technology to Develop Probiotic Dairy Foods in Association with Modifications of Whey Protein Structure. // Curr. Opin. Food Sci. - 2018. - vol. 22. - pp. 95-101. DOI: 10.1016/j.cofs.2018.01.014
9. Gil K.A., Tuberoso C.I.G. Crucial Challenges in the Development of Green Extraction Technologies to Obtain Antioxidant Bioactive Compounds from Agro-Industrial By-Products. // Chem. Biochem. Eng. Q. - 2021. - vol. 35. - pp. 105-138. DOI: 10.15255/CABEQ.2021.1923
10. Berk Z. Food Process Engineering and Technology. // Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2018, 711 p.
11. Drevelegka I., Goula A.M. Recovery of Grape Pomace Phenolic Compounds through Optimized Extraction and Adsorption Processes. // Chem. Eng. Process. Process Intensif. - 2020. - vol. 149: 107845. DOI: 10.1016/j.cep.2020.107845
REFERENCES
1. Unterkofler, J., Muhlack R.A., Jeffery D.W. Processes and purposes of extraction of grape components during winemaking: current state and perspectives. // Appl Microbiol Biotechnol. - 2020. - vol. 104. - no. 11 - pp. 4737-4755. DOI: 10.1007/s00253-020-10558-3
2. Lebovka, N., Vorobiev E., Chemat F. Enhancing Extraction Processes in the Food Industry. // Taylor & Francis Group, 2012. - 500 p.
3. Popova, M., Bankova V. Contemporary methods for the extraction and isolation of natural products. // BMC Chem. - 2023. - vol. 17. - no. 1: 68. DOI: 10.1186/s13065-023-00960-z
4. Bocharov, V.A. Comparative characteristics of options for preparing raw materials from cherries in order to improve the quality of sweet liqueur / V.A. Bocharov, Yu.S. Klyueva, A.Yu. Stroilov. - Text: direct / / Azimuth of scientific research: economics and management. - 2015. - No. 1 (10). - P. 31-33.
5. Rodriguez Garcia S.L., Raghavan V. Green extraction techniques from fruit and vegetable waste to obtain bioactive compounds - A review. // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. - 2021. - vol. 62, no. 23. - pp. 6446-6466. DOI: 10.1080/10408398.2021.1901651
6. Pezzini V., Agostini F., Smiderle F., Touguinha L., Salvador M., Moura S. Grape juice by-products extracted by ultrasound and microwave-assisted with different solvents:
a rich chemical composition. // Food Sci Biotechnol. - 2018. - vol. 28, no. 3. -pp. 691-699. DOI: 10.1007/s10068-018-0531-x
7. Castro L.M.G., Alexandre E.M.C., Saraiva J.A., Pintado M. Impact of High Pressure on Starch Properties: A Review. //Food Hydrocoll. - 2020. - vol. 106: 105877. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2020.105877
8. Pereira R.N., Teixeira J.A., Vicente A.A., Cappato L.P., Ferreira M.V.S., Rocha R.S., da Cruz A.G. Ohmic Heating for the Dairy Industry: A Potential Technology to Develop Probiotic Dairy Foods in Association with Modifications of Whey Protein Structure. // Curr. Opin. Food Sci. - 2018. - vol. 22. - pp. 95-101. DOI: 10.1016/j.cofs.2018.01.014
9. Gil K.A., Tuberoso C.I.G. Crucial Challenges in the Development of Green Extraction Technologies to Obtain Antioxidant Bioactive Compounds from Agro-Industrial By-Products. // Chem. Biochem. Eng. Q. - 2021. - vol. 35. - pp. 105-138. DOI: 10.15255/CABEQ.2021.1923
10. Berk Z. Food Process Engineering and Technology. // Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2018, 711 p.
11. Drevelegka I., Goula A.M. Recovery of Grape Pomace Phenolic Compounds through Optimized Extraction and Adsorption Processes. // Chem. Eng. Process. Process Intensification. - 2020. - vol. 149: 107845. DOI: 10.1016/j.cep.2020.107845
