Применение ионообменных смол для очистки инулинсодержащих сиропов из корнеплодов цикория

DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10616 УДК547.458.412.65:663.9413

Применение ионообменных смол для очистки инулинсодержащих сиропов из корнеплодов цикория

Н. Г. ГУЛЮК, Н. Д. ЛУКИН, Т. С. ПУЧКОВА, Д. М. ПИХАЛО

Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация

Резюме. Исследования проводили с целью определения эффективности ионообменной очистки сиропа из цикория с применением смол компании «Purolite» (США). Качество очистки оценивали по количеству объёмов очищенного сиропа одним объемом смолы до её заработки по величине рН для катионита не выше 3,5 ед., для анионита не ниже 4,0 ед. В работе использовали экстракт из сухой стружки цикория сорта «Ярославский». После диффузии он представлял собой раствор от желтого до коричневого цвета и характеризовался высокой цветностью ( 8... 14 ед. опт. пл.), массовая доля протеина составляла 6,86 %, золы - 3,14 %. Для очистки экстракт направляли на ионообмен без предварительной обработки активным углем марки ОУ-Б. Поскольку двукратный ионообмен не обеспечил требуемой для производства инулина массовой доли протеина и цветности сиропа, его дополнительно очищали активным углем в дозировке 4 %. Далее очистку проводили по двухступенчатой схеме (катионит+анионит+катионит+анионит) при температуре 20.35 оС и скорости пропускания 1,0.2,5 объёма сиропа с одного объёма смолы в час. После такой обработки содержание примесей в сиропе снизилось в десятки раз (протеина до уровня не более 0,5 %, золы - не более 0,2 %); цветность не превышала 0,4 ед. опт. пл. Ионообмен экстракта из сухой стружки цикория на адсорбенте Макронет MN150 обеспечил снижение цветности более чем на 50 % и полностью удалял привкус горечи.

Ключевые слова: цикорий, инулинсодержащий экстракт, сироп, ионообменные смолы, катионит, анионит, очистка, углеводный состав сиропа.

Сведения об авторах: Н. П Гулюк, доктор технических наук, главный научный сотрудник; Н. Д. Лукин, доктор технических наук, директор (e-mail: vniik@arrisp.ru); Т С. Пучкова, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник; Д. М. Пихало, старший научный сотрудник.

Для цитирования: Применение ионообменных смол для очистки инулинсодержащих сиропов из корнеплодов цикория / Н. Г Гулюк, Н.Д. Лукин, Т. С. Пучкова и др. // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 6. С. 66-68. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10616.

Use of Ion-Exchange Resins for Cleaning Inulin Containing Syrups from Chicory Roots

N. G. Gulyuk, N.D. Lukin, T. S. Puchkova, D. M. Pikhalo

All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation

Abstract. The studies were performed to determine the effectiveness of ion-exchange purification of syrup from chicory using Purolite resins (USA). The quality of purification was evaluated by the volume of the purified syrup per volume of crude resin in terms of the pH value for the cation exchanger not higher than 3.5 units and for the anion exchanger not lower than 4.0 units. In the work, we used the extract from dry chips of Yaroslavsky chicory variety. After diffusion, we derived a solution, the colon" of which varied from yellow to brown. It was characterized by high chromaticity (8-14 AU). The mass fraction of protein was 6.86%; the mass fraction of ash was 3.14%. For purification, the extract was subject to ion-exchange without pretreatment with OU-B activated carbon. Since double ion-exchange did not provide the mass fraction of protein and colour of syrup required for the production of inulin, it was additionally purified with activated carbon at a dose of 4%. Further, it was purified by a two-stage scheme (cation exchanger + anion exchanger + cation exchanger + anion exchanger) at a temperature of 20-35 C and at a flow rate of 1.0-2.5 syrup volumes per one volume of resin per hour. After this treatment, the content of impurities in the syrup decreased by dozens of times (the content of protein decreased to a level of not more than 0.5%; the content of ashes decreased to a level of not more than 0.2%); chromaticity did not exceed 0.4 AU. Ion-exchange of the extract from dry chicory chips on Macronet MN 150 adsorbent reduced chromaticity by more than 50% and completely removed the bitter taste.

Keywords: chicory; inulin containing extract; syrup; ion-exchange resins; cation exchanger; anion exchanger; purification; carbohydrate composition of the syrup.

Author Details: N. G. Gulyuk, D. Sc. (Tech.), chief research fellow; N. D. Lukin, D. Sc. (Tech.), director (e-mail: vniik@arrisp.ru); T. S. Puchkova, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow; D. M. Pikhalo, senior research fellow.

For citation: Gulyuk N. G., Lukin N. D., Puchkova T S., Pikhalo D. M. Use of Ion-Exchange Resins for Cleaning Inulin Containing Syrups from Chicory Roots. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 6. Pp. 66-68 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10616.

В последние годы большое внимание уделяется натуральному заменителю высококалорийных продуктов, обладающему пребиотическими свойствами - инулину и его производным из цикория и топинамбура [1, 2]. Массовая доля инулина в цикории и топинамбуре незначительно различается и составляет в среднем 14.. .18 %. Каждая из этих культур имеет свои особенности в агротехнике, способах хранения и переработки на инулин. Цикорий легче перерабатывать благодаря удобной форме его корнеплодов, однако привкус горечи, обусловленный наличием гликозида интибина, требует проведения дополнительной технологической операции для его удаления [3, 4].

Во ВНИИ крахмалопродуктов продолжаются исследования по разработке универсальной технологии извлечения инулина и его производных из цикория и топинамбура [5, 6]. Так, для удаления высокомолекулярных коллоидных примесей из инулинсодержащего сырья после диффузии

предложено проводить предварительную очистку экстракта методом высокотемпературной кислотной коагуляции, а очистка экстракта дефекосатурацией возможна только при использовании свежеубранного инулинсодержащего сырья. При переработке на инулин цикория после длительного хранения или топинамбура после перезимовки возможно изменение углеводного состава (образование ди- и моносахаридов). В щелочной среде при дефекоса-турации экстракта происходит разложение фруктозанов и моносахаридов, что приводит к образованию красящих веществ и изменению углеводного состава. Показано, что инулинсодержащие сиропы перед ионообменной очисткой необходимо обрабатывать активным углем [5]. Проведенные ранее исследования показали эффективность использования для очистки сиропов при производстве сахаристых крахмалопродуктов, а также инулинсодержащих сиропов из топинамбура ионообменных смол компании «Риго^е» (США) [5].

Таблица 1. Характеристика ионообменных смол

Марка Ионная форма Полная обменная емкость, г-экв/л Насыпная масса, г/л Влажность, % Плотность влажных зерен, г/мл

КатионитС150S Сильнокислотная Ыа+, Н+ 1,8 785-825 48-53 1,25

Анионит А103SPlus Слабоосновная ОН - С1- 1,5 645-675 53-58 1,04

Анионит А103S Слабоосновная ОН-, С1- 1,5 645-675 53-58 1,04

Макронет МЫ-200 Нейтральная - 670 59-53 1,04

Макронет МЫ-150 Сильноосновная ОН- , С1- 0,25 - 50-52 -

Цель работы - исследование процесса ионообменной очистки инулинсодержащего сиропа из цикория корнеплодного с применением смол компании «Риго1йе» (США) для улучшения качества сиропа при производстве инулина.

Условия, материалы и методы. Экспериментальные исследования проводили во ВНИИ крахмалопро-дуктов в лабораторных условиях. Углеводный состав продуктов определяли на жидкостном хроматографе с рефрактометрическим датчиком фирмы ВивсЫ В1зсИо1Г, модель 8120; влажность - на весовом влагомере 1^-50; оптическую плотность экстракта и сиропа в УФ-спектре -на спектрофотометре марки СФ 2000; цветность экстракта и сиропа - на фотометре марки КФК-3; массовую долю протеина по методу Кьельдаля - на аппарате марки К-424; электропроводимость - на кондуктометре марки СС-401; величину рН, массовую долю сухого вещества, золы и других показателей - согласно принятым в крахмалопа-точном и свеклосахарном производстве методикам [6].

Объект исследования - экстракт из сухой стружки корнеплодов цикория сорта «Ярославский». Неочищенный экстракт цикория после диффузии представлял собой раствор от желтого до коричневого цвета и характеризовался высокой цветностью - от 8 до 14 ед. опт. пл. Массовая доля протеина в экстракте составляла 6,86 %; золы - 3,14 %. В первой серии экспериментов его направляли на ионообменные смолы без предварительной очистки активным углем. Поскольку двукратный ионообмен экстракта из цикория с высоким содержанием примесей не обеспечил требуемых для производства инулина показателей по массовой доле протеина и цветности, сироп дополнительно очищали активным углем марки ОУ-Б (4 % по сухому веществу сиропа). Кроме того, были проведены исследования по ионообменной очистке экстракта, предварительно обработанного активным углем в такой же дозировке.

Ионообменную очистку проводили с использованием смол компании «Риго^е» (США); сильнокислотного катионита марки С150Б, анионитов АЮЗБРЮб и А103Б, адсорбентов Макронет типа «полишер» марок МЖ50 (слабоосновный) и MN200 (нейтральный) (табл. 1). Предварительную подготовку смол для ионообменной очистки проводили по следующей схеме: замачивание в дистиллированной воде в течение 12 ч, далее регенерация катионита 5 %-ным раствором соляной кислоты (3,0 об/об смолы) для перевода его в Н+-форму, аниони-та - 4 %-ным раствором щелочи (3,0 об/об смолы) для перевода в ОН-форму и промывка их дистиллированной водой. Расход воды на промывку смол от реагентов

для катионита - 4 объёма на объем смолы, анионита -10 объёмов на объём смолы. Очистку проводили по двухступенчатой схеме (К1+А1+К2+А2) при следующих условиях: температура - 20.. .35 оС; скорость пропускания - 1,0.2,5 объёма сиропа с одного объёма смолы в час. Оценку качества ионообменной очистки сиропов осуществляли по продуктивности смолы, которую определяли объёмом очищенного сиропа одним объемом смолы до её заработки по показателю величины рН: катионит - не выше 3,5; анионит - не ниже 4,0.

Еще в одной серии опытов для очистки экстракта из сухой стружки цикория после диффузии без очистки активным углем и предварительного ионообмена впервые использовали адсорбент Макронет типа «полишер» марок МЖ50 (слабоосновный) и MN200 (нейтральный). После замачивания в течение 12 ч в дистиллированной воде его загружали в колонку, промывали водой и проводили очистку экстракта при следующих условиях: температура -20.35 оС; скорость пропускания - 3.4 объёма очищаемого продукта с одного объёма смолы в час.

Высокая цветность неочищенного экстракта цикория после диффузии обусловлена наличием красящих веществ, которые состоят из сложной смеси органических соединений (углеводы, аминокислоты, пептиды, белки), образующихся в процессе термической обработки стружки цикория при температуре 80.85 0С. Их количество и окраска зависят от температуры, рН среды, продолжительности процесса обработки сиропа, концентрации реагирующих соединений. Одна из нежелательных примесей инулинсодержащих сиропов - оксиметилфурфурол (ОМФ). Его концентрацию в растворах определяют по величине светопогашения в УФ-спектре при длине волны 270.280 нм [7]. Качественные показатели красящих веществ определяли путем исследования в УФ-спектре инулинсодержащего экстракта из сухой стружки цикория до и после очистки на адсорбенте Макронет, марки МЖ50.

В очищенном сиропе определяли рН, цветность, протеин, зольность, углеводный состав, оптическую плотность в УФ-спектре, а также прозрачность и вкус (отсутствие горечи). По результатам исследований рассчитывали эффект очистки (Э.О.,%) продукта на различных стадиях от основных примесей (красящих веществ, протеина и зольных веществ).

Результаты и обсуждение. Двукратный ионообмен экстракта цикория обеспечил достаточно высокий уровень очистки по эффекту деминерализации, обесцвечивания и удаления протеина (табл. 2).

Таблица 2. Показатели качества инулинсодержащего сиропа из цикория до и после I и II ступеней ионообменной очистки

Наименование пробы рН Зола, % Эффект деминерализации, % Про-теин, % Эффект очистки от протеина, % Цветность, ед. опт. пл. Эффект обесцвечивания, %

Экстракт на очистку После К1 5,6...6,0 2,2...3,0 3,14 1,08 65,6 6,86 2,12 69,0 13,14

После К1-А1 После К1-А1-К2 После К1-А1-К2-А2 6,7...3,8 3,2...2,8 5,8...3,8 0,09 0,09 0,05 98,1 97,1 99,0 0,91 0,82 86,7 88,0 3,82 1,62 70,9 87,7

Таблица 3. Углеводный состав экстракта цикория

Однако цветность сиропа снизилась только до 1,62 ед. опт. пл., массовая доля золы - до 0,05 %, протеина - до 0,82 %. В сиропе сохранялся привкус горечи. Дополнительная очистка активным углем обеспечила уменьшение цветности до 0,57 ед. опт. пл., массовой доли протеина - до 0,55 %, привкус горечи в сиропе отсутствовал.

Углеводный состав экстракта из сухой стружки цикория до и после двухступенчатой ионообменной очистки практически не изменился (табл. 3).

Продуктивность катионита и анионита на I ступени очистки экстракта цикория составляла 20 и 15 объёмов на 1 объём смолы, на II ступени - около 40 объёмов на 1 объём смолы.

Величина рН инулинсодержащего экстракта из цикория, предварительно обработанного активным углем и затем подвергнутого двукратной ионообменной очистке, составляла 4,7.. .7,0 ед.; содержание протеина - не более 0,5 %; цветность - не более 0,4 ед. опт. пл. (400 ед. ИКУМ-СА); зольность - не более 0,2 %.

Очистка экстракта из цикория без предварительного ионообмена на адсорбенте марки Макронет типа МЖ50 и MN200 позволила снизить цветность продукта соответственно в 3,3 и 2,5 раз, а содержание протеина - в 1,2 раза. Одновременно привкус горечи, характерный для экстракта цикория, полностью удалялся (табл. 4).

Рисунок. Зависимость оптической плотности ф) от длины волны: 1 - исходный экстракт цикория до очистки; 2 - экстракт цикория после очистки на адсорбенте марки Макронет, тип М1Ч150.

ции производства инулина для очистки инулинсодержащих сиропов из цикория. При этом для производства инулина требуемого качества необходимо использовать схему обработки экстракта из цикория, предусматривающую использование активного угля (марка ОУ-Б) и двукратную ионообменную очистку (К1+А1+К2+А2). При этом, несмотря на повышенную концентрацию в экстракте из цикория примесей неуглеводного характера (красящие и минеральные

после двухступенчатой ионообменной очистки

Наименование пробы Содержание углеводов, %

инулин олигоф-руктоза дисаха-риды глюкоза фруктоза

Экстракт исходный неочищенный После К.-А,- 82,09 3,52 8,73 — 5,65

К2-А2 83,24 4,51 6,85 — 5,39

Таблица 4. Характеристика экстракта цикория до и после очистки на адсорбенте марки Макронет

Наименование продукта рН Протеин, % Элетропроводи-мость, а, мкСм/см2 Цветность, ед. опт. пл. Привкус горечи

Экстракт из цикория 5,35...5,65 6,86 12,1...13,0 13,14 Присутствует

Экстракт после

очистки: на МЫ 200 5,5...5,17 5,57 — 3,94 Отсутствует

на МЫ 150 6,2...5,5 5,5 10,4...11,8 5,25 Отсутствует

Исследования в УФ области спектра показали сни- вещества, протеин), величина рН инулинсодержащего

жение оптической плотности в очищенном экстракте сиропа составляла 4,7...7,0 ед.; цветность - не более

при длине волны 270.280 нм в 2,2 раза, по сравнению с 0,5 ед. опт. пл.; массовая доля протеина - не более 0,5 %;

исходным. Отсутствие пика в очищенном экстракте при массовая доля золы - не более 0,2 %.

этой длине волны свидетельствует, что количество ОМФ Очистка экстракта цикория на адсорбенте марки

значительно сократилось (см. рисунок). Макронет полностью удаляет привкус горечи, снижает

Выводы. Проведенные в лабораторных условиях цветность более чем на 50 %, а также способствует зна-

технологические испытания сильнокислотного катионита чительному уменьшению ОМФ в растворе.

марки C150, слабоосновного анионита марки A103S и Авторы благодарны сотрудникам компании «Puro-

адсорбента марки Макронет MN 150 компании «Purolite» lite» за предоставленные для исследований образцы

показали, что они могут быть использованы при организа- ионообменных смол.

Литература.

1. Титов Л. М., Алексанян И. Ю. Технология инулина: основные тенденции развития отрасли и спорные вопросы//Пищевая промышленность. 2016. № 1. С. 46-51.

2. Chicory (Cichorium intybus) Herb: Chemical Composition, Pharmacology, Nutritional and Healthical Applications / M. Saeed, M. E. Abd El-Hack, M. Alagawany, etc. // International Journal of Pharmacology. 2017. Vol. 13. Is. 4. Pp. 351-36.

3. ВильчикВ. А. Цикорий: Рекомендации по выращиванию, уборке, переработке и использованию. Ярославль: Верх.-Волж. кн. изд-во, 1982. 80 с.

4. Kvasko O. Yu., Matvieieva N. A. Increasing of antioxidant and superoxide dismutase activity in chicory transgenic plants // Biopolymers and Cell. 2013. Vol. 29. No. 2. Pp. 163-166.

5. Об очистке экстракта из инулинсодержащего сырья / Н. Г. Гулюк, Н. Д. Лукин, Т. С. Пучкова и др. // Пищевая промышленность. 2017. № 12. С. 24-26.

6. Технологический контроль производства сахаристых крахмалопродуктов: методическое пособие / Н. Д. Лукин, В. В. Ананских, Т. В. Лапидус. М.: Россельхозакадемия, 2007. 261 с.

7. Сапронов А. Р., Колчева Р.А. Красящие вещества и их влияние на качество сахара. М.: Пищевая промышленность, 1975. 347 с.