Рациональное сочетание ультразвука и биоконверсии в технологии экстрактов из растительного сырья

Рациональное сочетание ультразвука и биоконверсии

в технологии экстрактов из растительного сырья

Г. Л. Филонова, Е. А. Литвинова, Е. А. Литвинов

ГУ ВНИИпивобезалкогольной и винодельческой промышленности (Москва) Н. Т. Коновалов

Институт физики твердого тела РАН

В настоящее время растительное сырье вновь становится самым востребованным для создания оздоровительной, в том числе функциональной, безалкогольной продукции.

Его сложный химический состав и многовекторность положительных свойств, проявляемых каждым растением в организме человека, при их разумном сочетании позволяют разрабатывать широкий ассортимент напитков для здорового образа жизни человека. Функциональные напитки на натуральной основе медленно, но стабильно насыщают потребительский рынок. Разрабатываются и осваиваются в производстве функциональные напитки тонизирующие, антистрессовые, энергетические, изотонические, диетические, диабетические, гипотонические, гипертонические с детоксикационным действием и др.

Вещества, формирующие полноту вкуса, специфику аромата и биологическое действие экстрактов, связаны с определенными клеточными структурами растительного сырья. Извлечение и перевод их в растворимое состояние возможны только при осуществлении гидролиза различных полимеров сырья. Известен факт влияния на процесс ферментативного катализа как ферментов самого сырья, так и вносимых дополнительно извне. В 1974 г. в НПО ПБП впервые была разработана технология экстрактов и на их основе — концентратов из растительного сырья с применением комплекса ферментных препаратов. В результате научных исследований было доказано рациональное использование в составе экстракта цитопектопротеолитиче-ского комплекса для надземной части растения или цитопектопротеоамило-литического комплекса для растительных смесей, включающих корневище и корень растения.

Ферментативный гидролиз смесей растительного сырья при оптимальных температурных параметрах рН экстрагируемой среды способствует более полному обогащению получаемых экс-

трактов природными экстрактивными веществами, в том числе продуктами гидролиза некрахмальных соединений, низкомолекулярными соединениями белковой и углеводной природы, красящими и ароматизирующими соединениями.

В технологиях создания концентрированных форм из растительного сырья, разрабатываемых институтом, ферментативный гидролиз сырья составляет основной технологический этап в процессе его переработки. Практика освоения технологии в промышленности подтверждает возможность технического совершенствования процесса как за счет создания непрерывно действующих экстракторов, активизирующих процесс экстракции в целом, так и за счет технологических факторов, например обогащения экстрагента пищевыми добавками, способствующими снижению технологического «риска» в процессе гидролиза при температуре 46...48 °С и проявляющими свойства адсорбирования ароматизирующих соединений, образующихся при ферментизации смесей из растительного сырья. Поэтому ферментативный гидролиз — это базовая технология в процессе переработки растительного сырья (А. с. 567433).

Практика промышленного освоения технологии биоконверсии растительного сырья способствует разработке технологий экстрактов и концентратов, в том числе поликомпонентных на их основе для напитков, производимых индустриальным способом.

Биокатализ растительного сырья имеет преимущества перед физическим, механическим воздействием на сырье.

Механический способ осуществляют в пресс-экстракторах, шнековых, карусельных, роторно-пульсационных и др.

Физические способы воздействия на сырье включают применение ультразвукового поля, электрогидравлического высокочастотного разряда, термодинамической, вихревой экстракции и др.

Способ извлечения компонентов сырья жидким диоксидом углерода или органическими растворителями позволяет максимально обогащать экстракты определенной группой природных соединений, многие из которых или практически не растворяются в воде, или имеют целевое использование, например в фармацевтическом производстве.

Цель каждого способа — интенсификация процесса экстракции путем увеличения коэффициента диффузии веществ из частиц растительного сырья.

Анализируя результаты способов воздействия на растительное сырье, отметили следующее.

Физические способы интенсификация процесса экстрагирования веществ из растительного сырья основаны на механическом разрушении клеточных стенок растения. Применение биотехнологии позволяет достичь расщепления структурных элементов клетки и легко осуществить гидролиз дубиль-но-белковых комплексов, белковых, пектиновых веществ и углеводов; при этом изменяется структура эфирных масел (например, аромат мяты перечной — ментол воспринимается мягче) и образуются новые ароматизируемые экстракты соединений.

Во ВНИИПБиВП разработана технология биоконверсии растительного сырья с использованием экстракта, содержащего кроме ферментативного комплекса спиртсодержащий компонент, обеспечивающий объемную долю спирта в нем не более 3-5 об. %. В качестве такой добавки можно использовать крепленый плодово-ягодный сок или десертное вино с содержанием 50 % этанола в объеме или чистый спирт ректификованный 96,2-96,4 об. %. Экс-трагент такого состава способствует снятию технологического риска в процессе гидролиза, интенсификации проникновения экстрагента в растительные клетки, усилению и стабилизации аромата и цветовой гаммы в получаемых экстрактах (А с. 1457195).

Получаемые гидролизаты спиртуют. В среде создают концентрацию спирта от 9 до 19,5 об. % в зависимости от последующего использования получаемого экстракта.

В процессе последующей выдержки спиртованных экстрактов происходит его ассимиляция, при которой формируется вкусоароматическое восприятие, происходит седиментация остальных биополимеров с образованием осадка. В зависимости от природы используемого сырья продолжительность выдержки спиртованных гидролизатов (экстрактов) — от 4 до 6-8 дней.

2•2008

66

Большей выдержке подвергаются спиртованные гидролизаты, получаемые из пектинсодержащего сырья. Наиболее часто в смесях растительных или автономно используют сухие плоды боярышника, рябины обыкновенной, шиповника.

Известно, что пектиновые вещества повышают водоудерживающую способность растительной ткани. В свежеотжатом соке пектиновые вещества, имитируя процесс инкапсулирования взвешенных частиц, образуют устойчивую опалесценцию. Благодаря высокой вязкости сок с мякотью сохраняет структуру длительное время. Такой сок трудно осветляется и фильтруется.

Пектолитические ферменты приводят к расщеплению значительной части пектиновых веществ. Мезга, обработанная пектолитическими ферментами, лучше прессуется, увеличивается выход сока, содержание экстрактивных веществ. Такой сок легче осветляется и фильтруется [2].

С целью совершенствования технологии биоконверсии пектинсодержащего сырья был проведен анализ информационного материала по способам экстрагирования растительного сырья в фармацевтической и ликероводочной промышленности.

По нашему мнению, для предварительной обработки растительного сырья перед его биоконверсией наиболее рационален способ физического воздействия упругих колебаний низкочастотного ультразвукового диапазона.

Воздействие ультразвука на растительное сырье, содержащее сложный комплекс биополимерных веществ различной природы, рассматривается в рамках механохимии [4,6]. Основной фактор — упругие колебания и потоки с высокими градиентами скоростей, а сопутствующим фактором служит воздействие кавитации.

Совмещая физическое воздействие на растительное сырье с его последующим биокатализом можно влиять на формирование структурно-механических свойств получаемых экстрактов и способствовать более активному воздействию биокатализаторов на высокомолекулярные соединения растительного сырья. В качестве объектов исследования были взяты сухие плоды боярышника, рябины, черемухи, свежие ягоды клюквы.

В процессе экспериментально-исследовательской работы были определены следующие технологические особенности процесса: последовательность этапов ультразвукового воздействия (УЗ) и биокатализа в экстрагируемой массе пектинсодержащего сырья; установление оптимального режима воздей-

ствия УЗ на пектинсодержащее сырье (частота ультразвуковых колебаний установки и продолжительности воздействия).

Получаемые экстракты характеризовали по структурно-механическим свойствам в образуемых системах, основным химическим соединениям, формирующим вкусоароматические восприятия экстрактов и концентратов на их основе.

Научно-экспериментальные исследования осуществляли совместно с Институтом физики твердого тела РАН.

Эксперименты проводили на ультразвуковой установке модели 90S.

Результаты проведенных экспере-ментально-исследовательских работ показали следущее.

УЗ-бработка в системе сырье — экс-трагент (не содержащей ферментных препаратов) способствует сокращению срока набухаемости испытуемого растительного сырья, активному разрушению клеточной структуры и тканей, выходу клеточного сока в экстрагируемую среду. УЗ-обработку проводили при 18...20 °С. Для плодов боярышника и ягод клюквы продолжительность составила 12 мин, для рябины и черемухи — 7 мин в прерывистом режиме ультразвуковых колебаний от 0,3 до 1 мин и частоте колебаний от 19 до 21 кГц, интенсивности излучения ультразвуковой установки 0,6-0,8 Вт/см2.

Обработанную в установке массу направляли в экстракционный аппарат. При перемешивании содержимого вносили определенный ферментативный комплекс.

В процессе ферментативного катализа определяли динамику нарастания экстрактивных веществ для установления периода равновесной концентрации в системе.

В качестве контроля использовали данные эксперимента с указанным сырьем в процессе биоконверсии без УЗ-обработки.

В контрольных образцах период равновесной концентрации фиксировали через 8-10 ч, в опытных образцах — через 6-8 ч.

Сокращению общего времени процесса биоконверсии, по нашему мнению, способствуют предварительная УЗ-обработка экстрагируемой массы, активизирующая процесс набухаемо-сти, и ферментативный гидролиз в среде клеточного сока.

Гидролизаты после инактивиро-вания в них ферментов спиртовали. В данной технологии спиртованные гидролизаты (экстракты) использовали в производстве концентратов, в том числе поликомпонентных, поэтому объем спирта соответствовал созданию в среде объемной доли спирта, равной

9-12 %, обеспечивающей срок годности экстрактов до 3 мес.

Спиртованные гидролизаты также обрабатывали УЗ (при 18...20 °С в течение 5-10 мин). При этом частота ультразвуковых колебаний и интенсивность излучения ультразвуковой установки соответствовали режиму обработки смеси перед ее биоконверсией. После спиртования наблюдали за процессом седиментации биополимеров, присутствующих в системе, образующих структуру осадка.

Микроструктура осадков в опытных вариантах экстрактов показана в табл. 1, 2, 3, 4. В каждой микроструктуре осадка после предварительной УЗ-обработки сырья перед биокатализом в спиртованных гидролизатах отмечали присутствие более крупных биополимеров. Седиментация таких частичек проходит активнее, с образованием плотных осадков в течение 3-4 дней. В эксперименте без предварительной УЗ-обработки сырья в среде спиртованного гидролизата процесс седиментации протекает медленнее, осадок сформировался после 6-8-дневного отстаивания. В процессе экспериментальных работ и анализа результатов был принят способ, включающий УЗ-обработку до биокатализа и УЗ-обработку в спиртованном гидролизате. При таком режиме УЗ-обработки в спиртованных ги-дролизатах она активизирует процесс конгломерации биополимеров в среде, ускоряя их оседание и формирование плотных осадков. При вязкости, равной 2,4 сантистокса, на продолжительность формирования осадка влияет величина образуемых в экстрактах конгломери-руемых биополимеров в процессе УЗ-обработки. По экспериментальным данным, в опытных образцах процесс седиментации биополимеров с образованием плотных осадков происходит в течение 3-4 дней. В процессе фильтрации объем выхода экстракта увеличивается на 10-15 %.

УЗ-обработка в исследуемых системах по-разному воздействует на обрабатываемую сырьевую массу.

Один из факторов индивидуального взаимодействия УЗ с сырьем — анато-мо-морфологическое строение пектин-содержащего сырья.

В результате проведенных экспериментальных работ установлена эффективность диспергирующего действия ультразвука, способствующего увеличению объема выхода экстракта; отмечена возможность получения из пектинсодержащего сырья в процессе выдержки более прозрачных экстрактов. Процесс образования осадка протекает интенсивнее по сравнению с контролем, структура осадка плотнее; в целом экстракционный процесс,

2 • 2008

67

в том числе включающии ультразвуковую обработку, зависит от анато-мо-морфологического строения сырья и его дисперсности в обрабатываемой системе.

УЗ-обработка и последующая биоконверсия, формирующие химический состав в экстрактах, в каждом конкретном случае могут иметь незначительные минусовые и плюсовые отклонения по сравнению с контрольными образцами. Основной фактор — анатомо-мор-фологичекое строение ферментируемого сырья. Например, данные табл. 5 свидетельствуют о положительном влиянии УЗ-обработки в сочетании с биоконверсией на общее содержание экстрактивных веществ, перешедших в экстракт из плодов рябины красной (гидромодуль 1 : 10).

Таким образом, использование импульсной технологии с применением ультразвука при обработке растительного сырья перед его биоконверсией и в получаемых спиртованных гидролизатах (экстрактах) будет способствовать экономии растительного сырья на 10-15 %, сокращению

Таблица 1

Размеры частиц, Содержание частиц в экстракте рябины, %

мкм Ультразвук + биокатализ Биокатализ + ультразвук

Рыхлые частицы коричневого цвета Мелкие рыхлые частицы, легко разрушающиеся при надавливании на покровное стекло

20 х 20 и более 13 —

6,0 х 6,0 и более — —

3,0 х 3,0 и более 26 42

1,5 х 1,5 и менее 61 58

Таблица 2

Размеры частиц, Содержание частиц в экстракте боярышника, %

мкм Ультразвук + биокатализ Биокатализ + ультразвук

Много коричневых плотных частиц В основном прозрачные частицы, имеющие форму кристаллов, встречаются отдельные коричневатые

20 х 20 и более 25 2

6,0 х 6,0 и более 12 2

3,0 х 3,0 и более — —

1,5 х 1,5 и менее 63 96

Таблица 3

Размеры частиц, Содержание частиц в экстракте клюквы, %

мкм Ультразвук + биокатализ Биокатализ + ультразвук

Частицы более мелкие прозрачные Прозрачные вуалеобразные частицы

90 х 90 и более — —

20 х 20 и более 4,8 2,7

6,0 х 6,0 и более 34,8 3,0

3,0 х 3,0 и более 29,0 15,0

1,5 х 1,5 и менее 30,0 79,3

Таблица 4

продолжительности процесса экстрагирования в 1,5 раза, стабилизации структурно-механических свойств в процессе длительного хранения в концентратах поликомпонентных, производимых на основе экстрактов (патент 2283602).

Анализ экспериментальных данных о действии предварительной УЗ-обра-ботки и последующей биоконверсии рябины красной можно характеризовать как аддитивность их действия, т.е. именно двойное действие позволяет достигать требуемого качества в готовом продукте.

Размеры частиц, Содержание частиц в экстракте черемухи, %

мкм Ультразвук + биокатализ Биокатализ + ультразвук

Плотные частицы коричневого цвета Снижение количества крупных и увеличение количества мелких частиц

20 х 20 и более 13,8 5,6

6,0 х 6,0 и более — 0,9

3,0 х 3,0 и более 30,5 —

1,5 х 1,5 и менее 55,1 93,4

Таблица 5

Метод обработки Общий экстракт, г/100 г Фенольные вещества, мг/100 г Пектины, мг/100 г Аминокислоты, мг/100 г Удельная вязкость

«Исх.» 49,84 486 2200 42 0,315

«Исх.» + фермент 50,08 480 2180 75 0,244

УЗ — 10 мин 54,24 510 2400 49 0,310

УЗ — 10 мин + фермент 55,68 500 2040 87 0,243

ПИ

НАПИТКИ

2•2008

68

ЛИТЕРАТУРА

1. Стрелков В. Н., Филонова Г. Л., Косыгина Л. И., Комракова Н. А. Изучение потребительных свойств напитков методом газоразрядной визуализации// Пиво и напитки. 2006. № 1. С. 44-49.

2. Фениксова Р. В. Биохимические основы получения и применения ферментных препаратов / / Техническая биохимия. 1973. С. 447-450.

3. Дымова А. Ю. Здоровые функциональные напитки//Пиво и напитки. 2001. № 1. С. 38-39.

4. Молчанов Г. И. Ультразвук в фармации. — М.: Медицина, 1980.

5. Вайсман Г. А., Гуревич М. И., Сквирская Е. Применение ультразвука из алкалоидосо-держащего растительного сырья//Аптечное дело. 1962. № 6. С.17-21.

6. Барам-Байм Н. К. Механохимия высокомолекулярных соединений. — М.: Химия, 1978. &