CC BY
122
УДК 664.161.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОцЕССА ДИФФУЗИИ ИНУЛИНА ИЗ КЛУБНЕй ТОПИНАМБУРА
Н.Г. ГУЛЮК, доктор технических наук, зав. отделом Т.С. ПУЧКОВА, кандидат технических наук, зав. сектором
Д.М. ПИХАЛО, старший научный сотрудник В.А. ГУЛАКОВА, старший научный сотрудник В.А. КОВАЛЕНОК, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник
ВНИИ крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, п. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Россия
E-mail: vniik@arrisp.ru
Резюме. В России топинамбур считается перспективным сырьём для производства инулина из-за простоты агротехники, возможности перезимовки и переработки в весенний период, высокой урожайности клубней. При его переработке большое значение имеет содержание сухого вещества в исходном сырье. В связи с этим с использованием ВЭЖХ был определен состав сока из клубней топинамбура. Из 12 изученных образцов отобрали 7 сортов российской селекции, содержащих в соке не менее 19,0% сухого вещества. Наиболее высокой концентрацией инулина (19,0-20,4%) отличались образцы сорта Сиреневый из Костромской и Владимирской областей, а также Интерес-21 - из Кабардино-Балкарской Республики. На основании результатов исследований разработаны требования к качеству инулинсодержащего сырья для проведения процесса диффузии и последующей переработки на инулин. В статье представлены экспериментальные данные о диффузии растворимых сухих веществ (основное - инулин) при различных параметрах процесса, обработанные с использованием математической программы Statistica 10 и Table Curve 3D. Согласно результатам анализа приведённых поверхностей отклика с увеличением длины стружки измельчённого сырья, температуры и продолжительности процесса диффузия растворимых веществ протекает интенсивнее и достигает максимума при наибольших значениях исследуемых параметров. При этом по мере увеличения длины стружки топинамбура происходит повышение цветности экстракта. Оптимальная температура процесса диффузии 80-85 0С при продолжительности 60 мин. позволяет получать экстракты с высоким содержанием инулина и минимальным количеством красящих веществ. Диффузия инулина из стружки топинамбура, удовлетворяющего разработанным требованиям по углеводному составу, при оптимальных условиях процесса повышает его интенсивность. Ключевые слова: инулинсодержащее сырьё, топинамбур, инулин, дисахара, фруктоза, углеводный состав, диффузия. Для цитирования: Исследование процесса диффузии инулина из клубней топинамбура/Н.Г. Гулюк, Т.С. Пучкова, Д.М. Пихало, В.А. Гулакова, В.А. Коваленок//Достижения науки и техники АПК. 2014. Т.28. №12. С. 67-69.
В пищевой промышленности России, как и во многих странах мира, всё отчетливее проявляется тенденция к расширению производства функциональных продуктов питания. Значительное место среди них занимают продукты, содержащие инулин и его производные - олигофруктозу, фрукозно-глюкозные сиропы, фруктозу, которые во всём мире используют для диетического и диабетического питания, в качестве пребиотиков, структуро- и вкусообра-зователей и др. Производство инулина в мире достигает 110 тыс. т и каждый год растёт на 10%.
Анализ литературных источников показывает, что инулин можно получать из цикория и топинамбура. Ведущие мировые производители используют в качестве исходного сырья в основном цикорий корневой (Бельгия, Голландия) [1, 2]. Во ВНИИ крахмалопродуктов отработаны технологии получения инулина из цикория корнеплодного [3-5].
В то же время в России более перспективным, чем цикорий, сырьём для производства инулина можно считать топинамбур. Это обусловлено простотой агротехники, возможностью перезимовки и переработки в весенний период, высокой урожайностью клубней, а также зелёной массы, которая по своей питательной ценности не уступает многим кормовым культурам [6-10].
Важнейший процесс при получении инулина - диффузия из инулинсодержащего сырья. Наличие большого количества научных статей и патентов в этой сфере позволило выявить некоторые способы его интенсификации [11-13].
Для создания условий повышения выхода инулина и минимизации перехода примесей из сырья в экстракт необходимо оптимизировать такие параметры, как температура для повышения скорости диффузии, величина гидромодуля, продолжительность процесса, степень измельчения сырья, а также подобрать способ снижения цветности экстракта и сокращения количества переходящих из сырья примесей.
Существует два подхода к измельчению сырья при производстве инулина: мелкое измельчение на тёрках и измельчение в виде стружки по аналогии со свеклосахарным производством [2,12].
Способ, основанный на измельчении тёркой с последующим отделением сока прессованием или экстрагированием, предусматривает возможно более полный разрыв растительных клеток. Его недостаток заключается в том, что из сырья в сок попадает большое количество примесей, образующих в экстракте красящие вещества.
Решить эту проблему позволяет резка инулинсодержащего сырья в стружку желобчатой или пластинчатой формы. При этом значительное количество вредных для производства примесей остается в стружке, а содержание инулина в экстракте повышается.
Цель нашей работы - исследование процесса диффузии высокомолекулярного полисахарида инулина из стружки клубнеплодов топинамбура и влияния на него качества сырья.
Условия, материалы и методы. В опытах использовали клубни топинамбура различных сортов, культивируемые в разных регионах России. Работу проводили в лабораторных условиях ВНИИ крахмалопродуктов.
Углеводный состав образцов определяли на жидкостном хроматографе с рефрактометрическим датчиком фирмы Buschi Bischoff, модель 8120; влажность образцов - на весовом влагомере МР-50 (Япония); цветность сиропов -на фотоэлектроколориметре ФЭК-56 и спектрофотометре «SPECORD UV»; величину рН, содержание сухого вещества и другие показатели - согласно принятым в крахмалопа-точном и свеклосахарном производстве методикам [14].
Экспресс-оценку качества сырья осуществляли путем определения сухого вещества в отжатом соке и измельчённой кашке клубней топинамбура. Для измерения содержания инулина использовали метод на основе ВЭЖХ, который заключается в определении углеводного состава экстракта с пересчетом полученных результатов на сухое вещество сока.
В ходе исследований изучали влияние способа резки сырья (стружка из клубней топинамбура) на процесс диффузии растворимых веществ при температуре 40, 60 и 80 0С, гидромодуле 1:2,5. При этом длина 100 г стружки
Таблица. Показатели качества образцов топинамбура
Содержание сухо- Углеводный состав, % в пересчете на су-
Сорт Регион произрастания го вещества, % хие вещества сока
в кашке в соке углеводы инулин олигоф-руктоза дисаха-ра глюкоза фруктоза
Сиреневый Костромская область 25,4 23,9 21,97 20,44 0,45 1,08 - -
Владимирская область 27,0 25,0 22,1 19,8 0,59 1,43 - 0,3
Интерес-21 Кабардино-Балкарская
Республика 23,43 21,6 19,28 18,98 - 0,30 - -
4ПБК (гибрид) Костромская область 22,2 21,2 18,4 17,9 - 0,50 - -
5ПББ (гибрид) Костромская область 21,1 20,2 17,57 17,04 - 0,53 - -
Горно-Алтайский Кабардино-Балкарская
Республика 21,15 19,4 17,80 16,94 - 0,86 - 1,78
Тописолнечник Кабардино-Балкарская
Республика 22,50 20,6 17,35 15,98 - 1,17 - 0,23
в образцах составляла 60, 20 и 6 м. Отбор проб экстракта в процессе диффузии проводили через 20, 40, 60 и 120 мин., после чего в них определяли содержание сухого вещества (СВ) и оптическую плотность в пересчёте на 100% СВ.
Полученные данные обрабатывали с использованием программ Statistica 10 и Table Curve 3D.
Интенсивность процесса диффузии возрастает при повышении содержания сухого вещества и инулина в перерабатываемом соке. С целью выбора наиболее подходящего исходного сырья было проанализировано 12 сортообразцов клубнеплодов топинамбура.
результаты и обсуждение. На основании проведенных исследований мы отобрали 7 сортов топинамбура российской селекции, содержащих в соке не менее 19,0% сухого вещества (см. табл.). При этом концентрация углеводов в образцах варьировала от 22,1 до 17,4%, в том числе инулина от 20,4 до 16,0% к массе сырья, растворимых примесей неуглеводного характера (белковые вещества, зольные элементы и др.) в зависимости от сорта - от 8,3 до 15,7% массы сухого вещества. При этом наиболее высоким содержанием инулина (19,0-20,4 %) отличались образцы топинамбура сорта Сиреневый из Костромской и Владимирская областей и сорта Инетерес-21 из Кабардино-Балкарской Республики.
На основании результатов проведённых исследований были разработаны требования к качеству сырья для последующей его переработки на инулин:
содержание сухого вещества в соке - не менее 20%; содержание углеводов, в том числе инулина - не менее 19% сухого вещества сока топинамбура;
удобная форма клубнеплодов (правильная, без отростков).
Проведение диффузии инулина из стружки топинамбура, удовлетворяющего разработанным к его качеству требованиям,позволит повысить интенсивность процесса и соответственно выход инулина.
В дальнейших исследований использовали образец топинамбура из Кабардино-Балкарской Республики сорта Интерес-21.
Экспериментальным путем было установлено, что влияние длины стружки (L), температуры (T) и продолжительности процесса диффузии (т) на содержание в экстракте сухого вещества (СВ) можно охарактеризовать следующим уравнением:
CB = -12,2 - 0,000978 ■ L2 + 0,4148 ■ T - 0,00274 ■ T + + L ■ (0,0959 - 0,000103 ■ т) + 0,0346 ■ т - 0,000152 ■ т2
Анализ поверхностей отклика, полученных после математической обработки экспериментальных данных, показал, что с увеличением длины стружки, температуры и продолжительности процесс диффузии растворимых веществ (основное - инулин) протекает интенсивнее и достигает максимума при наибольших значениях исследуемых параметров (рис. 1, 2).
В процессе диффузии топинамбура из сырой стружки при температуре 40-60 0С под воздействием собственных ферментов (оксидоредуктазы, оксигеназы, тирозиназы, инулиназы и др.) в сырье происходят автокаталитические реакции.
рис. 1. Влияние длины стружки (_, м) и продолжительности процесса (т, мин.) на содержание растворимых сухих веществ (СВ, %) при температура процесса Т=60оС.
В частности, известно, что на воздухе стружка быстро темнеет, так как содержащиеся в сырье полифенолы окисляются в присутствии кислорода с образованием красящих веществ [15, 16].
В результате исследований установлено влияние температуры (Т) и длины стружки топинамбура (1_) на оптическую плотность экстракта Р), которое характеризуется следующим уравнением:
рис. 2. Влияние температуры (Т, 0С) и продолжительности процесса (т, мин) на содержание растворимых сухих веществ при длине стружки _= 20 м.
рис. 3. Влияние длины стружки м) и температуры (Т, 0С) на оптическую плотность экстракта ( D, усл.ед.) в процессе диффузии, продолжительность т = 120 мин.
D = 35,3 - 0,957-Т + 0,00682Т2 + 1_2- (-0,000133-Т - Т2-10-6). Полученные результаты показывают, что при увеличении длины стружки и температуры диффузии воздействие собственной ферментной системы топинамбура усиливается, в результате чего происходит повышение оптической плотности экстракта из-за интенсивного образования красящих веществ (рис. 3).
выводы. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы об особенностях технологических решений по проведению диффузии растворимых веществ из стружки топинамбура, содержащего не менее 19% инулина.
С увеличением длины стружки интенсивность диффузии возрастает, однако одновременно увеличивается цветность экстракта. Поэтому оптимальная длина стружки равна 10-20 м.
Оптимальная температура процесса диффузии 80-850С при продолжительности 60 мин. позволяет получать экстракты с высоким содержанием инулина и минимальным количеством красящих веществ.
Литература.
1. Перковец М.В. Raftiline и Raftilose - ингредиенты для функциональных продуктов питания // Пищевая пр-сть. 2004. № 8. С. 82.
2. Перковец М.В. Влияние инулина и олигофруктозы на снижение риска некоторых «болезней цивилизации» //Пищевая пр-сть. 2007. № 5. С. 22-23.
3. Гулюк Н.Г., Пучкова Т.С., Пихало Д.М. Перспектива производства и применения инулина в России // Материалы Международной конф. «Научное обеспечение и тенденция развития производства пищевых добавок в России». С-Пб., 2005. С. 160-163.
4. Гулюк Н.Г., Пучкова Т.С., Пихало Д.М. Технология инулина и олигофруктозы из цикория // Сб. науч. труд. ВНИИ крахмалопродуктов. М., 2008. Выпуск 12. С. 127-142.
5. Гулюк Н. Г., Пучкова Т. С., Пихало Д. М. Получение фруктозного сиропа из инулинсодержащего сырья - цикория корневого // Сб. науч. тр. ВНИИ крахмалопродуктов. М., 2002. Выпуск 10. С. 99-110.
6. Картофель и топинамбур - продукты будущего/под общей ред. В.И.Старовойтова. - М.: ФГНУРосфармагротех, 2007. 292 с.
7. Старовойтов В.И., Старовойтова О.А., Звягинцев П. С. и др. Топинамбур - инновационный ресурс в развитии экономики России // Пищевые ингредиенты. Сырьё и добавки. 2013. № 2. С. 30-32.
8. Гоушецкий Р.И., Гоиненко И.Г. Наиболее перспективные источники высокомолекулярного инулина // Сахар. 2013. № 10. С. 52-54.
9. Усанова З.И., Осербаев А.К. Технология возделывания земляной груши (топинамбура) сорта скороспелка, адаптированная к условиям центрального района России // Материалы 1-й Международной научно-практ. конф. «Растительные ресурсы для здоровья человека (возделывание, переработка, маркетинг)». - М.- Сергиев Посад, 2002. С. 10.
10. Кочнев Н.К., Калиничева М.В. Топинамбур - биоэнергетическая культураXXI века. М.: Арес, 2002.
11. Назаренко М.Н., Бахатова Т.В., Кожухова М.А. и др. Интенсификация экстрагирования инулина из клубней топинамбура с применением вибрационного воздействия // Научный журнал КубГАУ. 2013. № 94. С. 10.
12. Екутеч Р.И. Разработка технологии получения инулина и пищевых волокон из клубней топинамбура: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Краснодар, 2010. 20 с.
13. Кареткин Б.А., Шакир И.В., Панфилов В.И. Интенсификация процесса получения инулина из клубней топинамбура с использованием ультразвука //Материалы Четвертого Московского Международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития». М., 2007. С. 62.
14. Технологический контроль производства сахаристых крахмалопродуктов: методическое пособие / Н.Д. Лукин, В.В. Ананских, Т.В. Лапидус, Л.С. Хворова. М.: Россельхозакадемия, 2007. 261 с.
15. Кожухова М.А., Гудима А.И. Термостабильность пероксидазы и полифенолоксидазы в инулинсодержащем сырье // Материалы Международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспект». Краснодар, 2012. С. 186-189.
16. Гладкая А.Д., Васильева Е.А. Изучение причин окисления мякоти клубнеплодов в ходе технологической обработки: тезисы доклада Международной конференции. Минск, 2009. 20 с.
study of diffusion of inulin from Jerusalem artichoke tubers
N.G. Gulyuk, T.S. puchkova, D.M. pikhalo, V.A. Gulakova, V.A. Kovalyonok
All-Russian Research Institute for Starch Products, Nekrasova Str., 11, Kraskovo, Moscow region, 140051, Russia Summary. Jerusalem artichoke is considered as perspective raw material for production of inulin because of simplicity of farming, processing capabilities and overwintering in the spring, high yield of tubers. When processing Jerusalem artichoke into inulin the content of dry substances (DS) and inulin in initial raw material is very important. Therefore, carbohydrate content of juice from Jerusalem artichoke tubers was determined using high-performance liquid chromatography (HPLC). There were studied 12 samples of Jerusalem artichoke tubers. From them 7 varieties are from Russian selection containing at least 19,0% DS in juice. Samples are from Kostroma region, Vladimir region, Kabardino-Balkaria have higher content of inulin comparing to other varieties - 20,4...19,0%. The most important process in production of inulin is diffusion from inulin containing raw materials. Experimental data on diffusion of soluble solids (basic - inulin) at different process parameters, processed using mathematical software Statistica 10 and Table Curve 3D are presented in the article. According to analysis of response surface with increasing length of chips of grinded raw materials, temperature and duration of process, the diffusion of soluble occurs intensively and reaches the maximum at the highest values of studied parameters. Thus, increasing the chip length of Jerusalem artichoke the color enhancing of extract takes place. Optimal temperature of diffusion process - 80-85 оС at duration of 60 min allows to produce extracts with high inulin content and minimal content of colorant. Diffusion of inulin from chips of Jerusalem artichoke that satisfies its requirements on carbohydrate content at optimal process conditions increases its intensity. Key words: inulin containing raw materials, Jerusalem artichoke, inulin, disaccharides, fructose, carbohydrate content, diffusion. Author Details: N.G. Gulyuk, Dr. Techn. Sci., Head of Division (e-mail: vniik@arrisp.ru); T.S. Puchkova, Cand. Techn. Sci., Head of Sector; D.M. Pikhalo, Senior Researcher; V.A. Gulakova, Senior Researcher; V.A. Kovalyonok, Dr. Techn. Sci., Leading Researcher. For citation: Gulyuk N.G., Puchkova T.S., Pikhalo D.M., Gulakova V.A., Kovalyonok V.A. Study of diffusion of inulin from jerusalem artichoke tubers. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2014. T.28. №12. pp. 67-69 (In Russ)
