Ультразвук и биокатализ - радикальное звено в технологии экстрактов из растительного сырья

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВА НАПИТКОВ

ТЕМА НОМЕРА

УДК 631.147:663.86

Ультразвук и биокатализ -радикальное звено в технологии экстрактов из растительного сырья

Г. Л. Филонова,

канд. техн. наук; М. В. Гернет, д-р техн. наук; И. Л. Ковалёва

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности Е. А. Литвинов ООО «Универсальные Пищевые Технологии», г. Серпухов

Ключевые слова:

биокатализ; растительное сырье; ультразвук; экстракты. Keywords:

biocatalysis; vegetable raw; ultrasound; extracts.

Реферат

Статья посвящена совершенствованию базовой технологии получения концентратов поликомпонентных для напитков на основе биоконверсии при помощи использования ультразвука.

Abstracts

The article is devoted to the improvement of the basic technology of multicomponent concentrates for drinks on the basis of bioconversion by using ultrasound.

Для стабильно поступательного развития отечественного производства высококачественных безалкогольных напитков необходимо постоянное развитие и совершенствование технологий по созданию концентрированных форм на натуральной основе для них.

Исторически выявлены приоритетные направления, активно влияющие на данный процесс:

• формирование сырьевой базы путем расширения ассортимента растительного сырья, в том числе сельскохозяйственных культур, проведение исследований, направленных на возможность комплексного его использования (корни, надземная часть, в том числе лист и стебли);

• исследования, направленные на разработку эффективных технологий по переработке растительного сырья, обеспечивающих максимальное обогащение получаемых экстрактов природными экстрактивными веществами; технологий по созданию концентратов на основе экстрактов с целью использования в составе оздоровительных и функциональных напитков для различных возрастных и социальных групп населения. Традиционно для создания напитков с присущим им национальным колоритом в регионах применяют местное растительное сырье. Такое сырье является носителем биологически активных соединений, которые даже в минимальном количестве оказывают определенное физиологическое воздействие на организм человека.

Медленно, но поступательно отмечается возрождение и производство безалкогольной продукции с использованием составляющих, производимых из растительного сырья (экстракты, настои, концентраты, в том числе поликомпонентные — КПК).

Большое значение природным средствам — многообразной флоре — в 50-60 годах ХХ в. в своих исследованиях придавал врач, ученый Израиль Брехман. Он утверждал, что «природные биологически активные вещества являются мощным средством направленной регуляции процессов жизнедеятельности, сохранения здоровья, высокого уровня работоспособности и увеличения продолжительности жизни. Природа не только лечит, но, поставляя человеку огромный комплекс биологически активных веществ, осуществляет постоянную его профилактику» [1].

Вышеизложенное подтверждает целесообразность применения растительного сырья в научно обоснованных технологиях, его экономическую рациональность с перспективой развития сырьевой растительной базы.

В составе любого растения есть физиологически активные вещества и другие соединения, которые могут оказывать влияние на процессы жизнедеятельности косвенным путем. Эти вещества ускоряют или замедляют проявление действующего начала в организме, в том числе способность вступать в связи с разными компонентами клеток, молекулами белков и углеводов. Таким образом, они могут влиять на фармакокине-

г

тику физиологически активных веществ [2].

Растительные смеси составляются таким образом, чтобы в сочетании с определенным видом растения, содержащего физиологически активные вещества целенаправленного действия, были растения, способные потенцировать, либо закреплять, либо смягчать в целом функциональную направленность концентрата в напитке и соответственно проявлять оздоровительные свойства в организме человека.

Критерии безопасности и полезности экстрактов и на их основе концентратов поликомпонентных (КПК) для напитков здоровья определяют основные принципы пищевой комбинаторики.

Пищевая комбинаторика — наука, возникшая и развивающаяся сегодня на стыке пищевых технологий, медицины, токсикологии и диетологии [3].

Основные принципы пищевой комбинаторики включают научно обоснованный подбор растительного сырья. Подбор осуществляется с учетом возможности достижения вкусовой гармонии экстрактивных веществ используемого сырья, сочетаемости воздействия биологически активных веществ (БАВ), возможности проявления синергического эффекта в спектре профилактического воздействия на организм человека. Затем аргументированно формируют растительные смеси, определяя массовые соотношения в них, способствуя формированию природных комплексов нутриентов в получаемых экстрактах и на их основе КПК, потенциально способных проявлять целенаправленные функциональные свойства в организме.

Пищевая комбинаторика представляет научно-технический процесс создания новых видов безалкогольной продукции с использованием концентрированных форм путем формирования целенаправленных функциональных свойств, гармонизируемых с оригинальными вкусовыми качествами создаваемого напитка.

Базовая технология переработки растительного сырья включает биокатализ. Данная технология разработана в 1975 г. специалистами института, называемого ранее НПО пивобезалкогольной промышленности [4]. С тех пор эта технология

подтвердила свою рациональность, экономичность, возможность совершенствования и развития в процессе создания новых видов концентрированных форм, в том числе специального рациона питания.

Экстрагент, используемый в процессе биокатализа, содержит определенный комплекс ферментных препаратов, пищевые добавки, активизирующие действие собственных ферментов, интенсифицирующие процесс обогащения получаемых экстрактов продуктами гидролиза некрахмальных полисахаридов, легко усвояемыми веществами углеводной и белковой природы.

Именно продукты гидролиза, образуемые в процессе биокатализа, способствующие формированию функциональных и технологических свойств, положительно влияют и на создание комплекса нутриен-тов, формирующих органолептиче-ские свойства с проявлением мягкого гармонично сбалансированного вкуса, отличающегося от экстрактов, получаемых только с помощью ультразвукового воздействия.

В технологии биокатализа важнейшим фактором, активизирующим его процесс в дисперсной высококонцентрированной системе, является способность составляющих растительной смеси или одного вида сырья формировать массу, проявляющую дренажные свойства, способствующие равномерному орошению экстрагентом частиц твердой фазы и активизированию процесса извлечения экстрактивных веществ из частиц растительного сырья, получению объема отделяемого от шрота гидролизата по окончании процесса биокатализа, составляющего от 70 до 80% объема экстрагента, используемого в технологическом процессе.

Известно, что эффективность технологического процесса в дисперсной высококонцентрированной системе зависит от дисперсности твердой фазы. Увеличение дисперсности — один из основных путей его интенсификации, так как именно этот фактор позволяет максимально извлечь комплекс ну-триентов из каждой частицы смеси [5].

Результаты научно-экспериментальных работ по определению оптимальных критериев процесса биоконверсии, проводимых в ин-

ституте, позволяют оптимизировать размеры частиц растительного, в том числе плодового, сырья в измельченной массе. Их размер должен быть в пределах 3-5 мм.

При этом активно протекает процесс седиментации остаточных частиц твердой фазы в среде гидро-лизата, отделяемого от шрота и спиртуемого до 8-10 % объемной доли спирта. Спиртованный гидролизат (экстракт) — основной компонент в поликомпонентном концентрате, определяющий оздоровительный вектор в составах безалкогольной продукции.

Технология биоконверсии совершенствуется с целью улучшения технологических параметров получения гидролизатов и на их основе экстрактов, обеспечивающих стабилизацию структурно-механических свойств в поликомпонентном концентрате и сохраняющих биологическую ценность в процессе длительного хранения [6].

Оптимальным способом,активизирующим процесс биокатализа определенным комплексом ферментных препаратов, вносимых в экстрагент, было воздействие ультразвука.

Научно-экспериментальные исследования по возможности применения ультразвука в базовой технологии КПК, включающей биоконверсию, осуществляли совместно с институтом физики твердых тел РАН с использованием установки модели 90S [7].

Известно, что на скорость процесса экстрагирования природных нутриентов из растительного сырья, в том числе с примененим ультразвука, оказывает влияние анатомо-морфологическое строение сырья.

В проводимых научно-экспериментальных работах использовали пек-тиносодержащее сырье, наиболее проблемное в технологической обработке: сухие плоды рябины обыкновенной, плоды боярышника и шиповника.

В сооотвествии с ГОСТ 6714-74, ГОСТ 3852-93, ГОСТ 1994-93 у высушенных плодов рябины обыкновенной, боярышника и шиповника анатомо-морфологическое строение плодов идентично. Влажность в высушенных плодах находится в пределах 14-18 мас. %. В процессе набухания измельченной крупки плодов дренажная структура в гидролизуе-мой среде сохраняется.

0

1 <

§

ш I-

3 • 2013

ПИВО и НАПИТКИ 19

0

1 <

§

ш I-

Для сравнительной оценки качества опытных образцов экстрактов использовали контрольные модели, которые были получены в результате биокатализа без предварительной ультразвуковой обработки.

В процессе ферментативного гидролиза определяли динамику нарастания экстрактивных веществ для установления периода их равновесной концентрации в системе. В контрольных образцах период равновесной концентрации фиксировали через 9 ч. В опытных образцах период равновесной концентрации отмечали через 7-8 ч.

Сокращению общего времени процесса биоконверсии способствует предварительная обработка ультразвуком экстрагируемой массы в экстрагенте, не содержащем ферментов, активизирующая процесс набухания и последующий ферментативный гидролиз в среде клеточного сока.

Ранее было также отмечено, что обработка ультразвуком спиртованных гидролизатов активизировала процесс седиментации биополимеров, способствуя образованию плотных осадков, увеличивая таким образом объем выхода экстракта на 10-15% [7].

Результатом проведенных исследований о влиянии ультразвука на процесс биоконверсии и формирование осадка в спиртованных ги-дролизатах в процессе седиментации биополимеров стало определение технологических параметров получения гидролизатов (экстрактов). Данные технологических параметров представлены в таблице.

Анализируя данные таблицы, отмечаем небольшие колебания в режиме ультразвуковой обработки, а именно в промежутке времени

Хранение сырья

Использование в процессе приготовления КПК

Технологическая схема получения экстракта из растительного сырья с использованием ультразвука и биокатализа

прерывистого интервала и частоте колебаний.

Таким образом, можно предполагать, что режим ультразвуковой обработки в дисперсных системах индивидуален для каждого вида сырья. Основной фактор, влияющий на режимные параметры ультразвуковой обработки, — анатомо-морфологическое строение сырьевой составляющей, в том числе величина и прочность стенок внутренних

Плоды

Параметры рябины обыкновенной боярышника шиповника

Температура гидролиза, °С 4б...48 4б...48 4б...48

рН 4,0 4,0 4,0

Соотношение твердой и жидкой фаз 1:8 1:8 1:8

Продолжительность гидролиза, ч Контроль — 9 ч, опыт — 7 ч Контроль — 9 ч, опыт — 7 ч Контроль — 9 ч, опыт — 8 ч

Температура при воздействии ультразвуком, °С 18.20 18.20 18.20

Ультразвуковые колебания, мин 10 7 10

Интервал в прерывистом режиме, мин 0,5 0,5 1

Частота колебаний, кГц 20 21 19

Спиртование гидролизатов, об. % спирта (экстракт) 9,0 12,0 10,0

включений в сухих плодах, подвергающихся воздействию ультразвуком в дисперсных системах, формируемых частицами измельченных плодов в объеме экстрагента.

Данный фактор необходимо учитывать при формировании растительных смесей. Для определения режима ультразвуковой обработки растительных смесей, содержащих сырье, разное по структуре, режимные параметры ультразвуковой обработки устанавливают по данным ультразвукового воздействия наиболее проблемных составляющих (плоды, корни, стебли).

На рисунке показана принципиальная технологическая схема получения экстрактов из растительного сырья и последующей его биоконверсии.

Процесс приготовления экстрактов из растительного сырья, в том числе плодов, с использованием его ультразвуковой обработки с последующей биоконверсией и получение на их основе КПК защищен патентом [8].

Основные технологические процессы включают хранение сырья (1), измельчение (4), приготовление экс-трагента (11), приготовление суспензии чистых ферментных препаратов (7), обработку ультразвуком смеси, измельченной в экстрагенте, не содержащем ферментные препараты (9), в режиме, индивидуально установленном для используемого сырья, внесение в образуемую дисперсную систему водной суспензии чистых ферментных препаратов, проведение биокатализа в установленном технологическом режиме (9), отделение получаемого гидролизата от шрота и его спиртование (13) с последующей ультразвуковой обработкой, выдержку для ассимиляции и естественной седиментации биополимеров, декантацию спиртованных гидролизатов в реактор (16), фильтрование (17), хранение фильтрованного спиртованного гидролизата (экстракта) (18). Экстракт используют для получения КПК.

В результате проведенных экспериментальных работ установлена эффективность диспергирующего действия ультразвука, способствующего увеличению выхода экстракта; в среднем на 6% более интенсивному протеканию процесса образования осадка по сравнению с контролем. Отмечена более плотная структура формируемого осадка из осаждаемых частиц биополимеров.

Комплексное предварительное воздействие ультразвука на растительное сырье и последующая его биоконверсия способны интенсифицировать данный процесс и улучшить качественные показатели экстрактов и концентратов из них.

Также ультразвук и биоконверсия в технологии получения экстрактов из растительного сырья способствуют экономии растительного сырья на 10-15%, сокращению продолжительности процесса экстрагирования с 8-10 ч до 6-8 ч, улучшению качественных показателей, стабилизации структурно-механических свойств в процессе длительного хранения в концентратах поликомпонентных, производимых на основе экстрактов.

2. Вейсинь, У. Энциклопедия китайской медицины. Целительные свойства природы/У. Вейсинь. — М.: Олма-Пресс, 2002.

3. Орещенко, А. В. Пищевая комбинаторика и генетическое здоровье человека/А. В. Орещенко. — М.: Пищепромиз-дат, 1999.

4. Салманова Л. С., Овчинников Г. А., Филонова Г.Л., Беленький С. М., Колпакчи А. П., Гвелесиани Р. К. Авторское свидетельство № 567433; 1977 г., 15 апреля.

5. Урьев, Н. Б. Пищевые дисперсные систе-мы/Н. Б. Урьев, М. А. Талейсник. — М.: Агропромиздат, 1985.

6. Филонова Г. Л., Ковалёва И. Л., Беличен-ко А. М., Литвинова Е. А., Оганесянц Л. А., Оганесянц Л. А., Безгин В. М., Постников С.В., Федорова О. В. Патент 2268627; 2006 г., 27 января.

7. Филонова, Г. Л. Рациональное сочетание ультразвука и биоконверсии в технологии экстрактов из растительного сырья/Г. Л. Филонова, Е. А. Литвинова, Н. Т. Коновалов // Пиво и напитки. — 2008. — № 2.

8. Филонова Г. Л., Литвинова Е. А., Коновалов Н. Т., Оганесянц Л. А., Ковалёва И. Л. Патент 2283602; 2006 г., 20 сентября. <

Creating value

with powerful solutions

McriuiJT drinhtec

16- 10 Si pi

ИИ)

www.krones.com

ЛИТЕРАТУРА

1. Брехман, И. И. Человек и биологически активные вещества/И. И. Брехман. — Л.: Наука, 1976.

We do more.

)( KRONES