CC BY
0
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
УДК 664.8 DOI: 10.53374/1993-0135-2023-5-440-444
Хвойные бореальной зоны. 2023. Т. XLI, № 5. С. 440-444
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ЖМЫХА OXYCOCCUS PALUSTRIS КАК РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В ПОЛУЧЕНИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
О. Н. Еременко1, Ж. А. Кох2
1Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31 2Красноярский государственный аграрный университет Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90 E-mail: 1oks.eriomenko@yandex.ru, 2jannetta-83@mail.ru
Бореальные лесные экосистемы предоставляют широкий спектр различных древесных х и недревесных продукты леса, таких как ягоды, имеющих различное назначение и экономическую ценность. Важное место среди растительного сырья, содержащего необходимое количество биологически активных веществ, принадлежит дикорастущим ягодам - природным витаминоносителям, которым свойственны различные лечебно-профилактические свойства. При традиционных способах переработки ягод, как культивируемых, так и дикорастущих, наблюдаются существенные потери биологически активных веществ, что приводит к снижению качества получаемой продукции. Развитие промышленного производства биологически активных веществ выдвигает на первое место необходимость создания ресурсосберегающих технологий, позволяющих более эффективно использовать потенциал пищевого сырья Ягоды клюквы болотной (Oxycoccus palustris. L.) являются богатыми гетерогенным источником фитохимических веществ. Большая часть этих соединений извлекается при производстве ягодного сока. Однако значительная часть полифенолов остается в ягодном жмыхе, который не направляется на комплексную ресурсосберегающую технологию в пищевой промышленности. Целью исследования было сравнение методов экстракции полифенолов (микроволны и Сокслета) из ягодных жмыхов клюквы болотной (Oxycoccus palustris L.). Было изучено влияние основных параметров экстракции на выход экстрагированных полифенолов. Наибольший потенциал из всех исследованных методов показала микроволновая экстракция, учитывая ее быстроту, удобство применения. Наилучшими растворителями для экстракции были признаны водный этанол в присутствии кислоты (при экстракции антоцианов следует использовать уксусную кислоту, при экстракции полифенолов - HCl).
Ключевые слова: экстракция, ягодный жмых, Oxycoccus palustris, фенольные соединения, полифенольные вещества, антоцианы.
Conifers of the boreal area. 2023, Vol. XLI, No. 5, P. 440-444
EXTRACTION OF OXYCOCCUS PALUSTRIS CAKE AS A RESOURCE-SAVING TECHNOLOGY FOR OBTAINING BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES
O. N. Eremenko1, Zh. A. Koch2
:Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Krasnoyarsk State Agrarian University 90, Mira prospekt, Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation E-mail: 1oks.eriomenko@yandex.ru, 2jannetta-83@mail.ru
Boreal forest ecosystems provide a wide range of different wood and non-wood forest products, such as berries, which have different purposes and economic value. An important place among plant raw materials containing the necessary amount of biologically active substances belongs to wild berries - natural vitamin carriers, which are characterized by various therapeutic and preventive properties. At traditional methods of processing of berries, both cultivated and wild-growing, there are significant losses of biologically active substances, which leads to a decrease in the quality of products. The development of industrial production of biologically active substances brings to the forefront the need to create resource-saving technologies that allow more efficient use of the potential of food raw
materials The berries of marsh cranberry (Oxycoccus palustris L.) are a rich heterogeneous source of phytochemicals. Most of these compounds are extracted during berry juice production. However, a significant part of polyphenols remains in berry cake, which is not directed to integrated resource-saving technology in the food industry. The aim of the study was to compare the methods of extraction ofpolyphenols (microwave and Soxhlet) from berry cake of marsh cranberry (Oxycoccus palustris L.). The influence of the main extraction parameters on the yield of extracted polyphenols was studied. Microwave extraction showed the greatest potential among all the studied methods, taking into account its rapidity and convenience of application. The best solvents for extraction were recognized as aqueous ethanol in the presence of acid (acetic acid should be used in the extraction of anthocyanins, HCl in the extraction of polyphenols).
Keywords: extraction, berry cake, Oxycoccus palustris, phenolic compounds, polyphenolic substances, anthocyanins.
ВВЕДЕНИЕ
Бореальные лесные экосистемы предоставляют широкий спектр различных древесных х и недревесных продукты леса, таких как ягоды, имеющих различное назначение и экономическую ценность. Важное место среди растительного сырья, содержащего необходимое количество биологически активных веществ, принадлежит дикорастущим ягодам - природным витаминоносителям, которым свойственны различные лечебно-профилактические свойства [2; 3]. Современные технологии позволяют производить биологически активные вещества из дикорастущих плодов и ягод, но при этом недостаточно используется их разнообразный и полезный химический состав. При переработке дикорастущих ягод необходимо учитывать, что они имеют более плотную морфологическую структуру, пониженную способность к сокоотделению. При традиционных способах переработки ягод, как культивируемых, так и дикорастущих, наблюдаются существенные потери биологически активных веществ, что приводит к снижению качества получаемой продукции (потери биологически активных веществ составляют от 20 до 80%) [4-8]. Развитие промышленного производства биологически активных веществ выдвигает на первое место необходимость создания ресурсосберегающих технологий, позволяющих более эффективно использовать потенциал пищевого сырья [9]. Дикорастущие ягоды являются высокотехнологичным сырьем, перерабатываемым различными способами, позволяющими получать полуфабрикаты, которые могут быть использованы как пищевые продукты, готовые к употреблению [3; 6-8]. Ягоды клюквы болотной (Oxycoccus palustris. L) являются богатыми гетерогенным источником фитохимических веществ. В ней выявлено более 150 индивидуальных фитохимических веществ, проявляющих высокую биологическую активность, функциональные свойства и лечебно-профилатичес-кое действие [10; 11]. Клюква отличается не только высоким содержанием красящих веществ антоциано-вого происхождения, но и стабильными и стойкими красящими свойствами [2; 5]. Основными флавонои-дами, содержащимися в ягодах, являются антоцианы, проантоцианидины, флавонолы и катехины. Флаво-ноиды отвечают за красный цвет и являются наиболее распространенными фенольными соединениями в различных ягодах. Фенольные кислоты, присутствующие в ягодах, представляют собой гидроксилиро-ванные производные бензойной и коричной кислот.
Антиоксидантная активность фенольных соединений обусловлена в основном их окислительно-восстановительными свойствами. Экстракты из плодов клюквы проявляют антибактериальную и противогрибковую активность [2; 5]. Большое количество фенольных соединений находится в семенах и кожице ягод, что затрудняет их высвобождение. В настоящее время существует необходимость в изучении методов экстракции именно для ягодного жмыха [4; 9]. Условия экстракции одного растения не могут быть непосредственно использованы для извлечения фенольных соединений из другого растения в связи с особенностями локализации фенольных соединений в различных видах. Для разработки методов, пригодных для промышленного применения, необходима оптимизация условий экстракции [1; 7].
Целью данного исследования было установить оптимальный метод экстракции полифенолов, в частности антоцианов, из ягодного жмыха Oxycoccus palustris L полученного после прессования, выяснить влияние основных параметров экстракции (время экстракции, соотношение твердого вещества и растворителя, тип растворителя и др.) на выход экстрагированных полифенолов и определить состав антоцианов Oxycoccus palustris. L.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом для исследований послужили образцы ягод Oxycoccus palustris L., которые были собраны на территории Красноярского края в Сухобузимском районе. Все ягоды были заморожены при температуре минус 15 °C для улучшения извлечения сока. Затем ягоды подвергали дефростации при температуре плюс 3 °C, затем ягоды помещали в бытовую соковыжималку объемом 1,5 ли извлекали сок. На этом этапе были получены остатки ягодного жмыха (семена, шкурки), содержащие остаточную влагу (9,5 %). Для извлечения антоцианов и полифенолов было применено два метода экстракции, метод Сокслета, который проводили с использованием этанола и уксусной кислоты, и метод микроволновой экстракции, с помощью микроволновой экстракционной установки. Общее содержание полифенолов определяли колориметрическим методом по галловой кислоте на спектрофотометре [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Экстракция полифенолов и антоцианов из различных ягод интенсивно изучается и проводится до сих
пор, но существует значительное несоответствие в способах ее проведения. Учитывая различия в химических и физических свойствах разных полифенолов, эти полярные молекулы обычно экстрагируют метанолом, этанолом, ацетон или водой. Несмотря на то что ацетон являются наиболее эффективными экстракционными растворителями, их применение в пищевой промышленности ограничено из-за токсичности. Этанол, в свою очередь, является растворителем, более подходящим для пищевой промышленности. Для экстракции антоцианов используются различные кислоты: уксусная, соляная, серная и муравьиная [3; 6]. Добавление кислот при экстракции антоцианов стабилизирует их, поэтому при низком pH антоцианы дают красный цвет. Выбор кислоты может влиять на стабильность антоцианов. Например, соляная кислота может катализировать гидролиз ацетилированных антоцианов. Поэтому для данного вида экстракции предпочтительнее использовать органическую кислоту - уксусную [9].
Для сравнения различных систем растворителей, используемых для экстракции фенольных соединений, были рассмотрены различные условия экстракции, предложенные в других исследованиях [3; 6; 8; 10; 11]. Предложенные смеси растворителей были протестированы на одном и том же типе образца -жмыха ягод Oxycoccus palustris L. после прессования, чтобы найти наилучший растворитель для конкретного типа образца, используемого в данном исследовании. Содержание сухих веществ, которое показывает общую эффективность экстракции, варьировалось в зависимости от используемых растворителей. Так, при экстракции водой и 1,5 %-ной HCl наблюдался значительно более низкий выход экстракта по всем измеряемым параметрам, за исключением общих углеводов (15,66 г на 100 г ягодного жмыха). Таким образом, учитывая область применения экстракта, следует избегать системы растворителей, в которой используется вода, поскольку низкое содержание фе-нольных (0,94 г на 100 г ягодного жмыха) и антоциа-новых (0,102 г на 100 г ягодного жмыха) веществ и высокое содержание общих углеводов может оказаться неприменимым для дальнейшего аналитического
изучения состава экстракта. Однако если экстракты предполагается использовать в производственных целях, то большое количество сахаров может приводить к увеличению продолжительности технологического процесса, так как сахара превращают конечный продукт в густую, вязкую массу, которую трудно обрабатывать и перерабатывать, Сравнение различных смесей растворителей для экстракции фенольных соединений приведено в табл. 1.
Проведенный анализ результатов проведенного эксперимента показывает, что наибольший выход экстракта (42,19 г на 100 г-1 ягод) был получен при использовании этанола + 1,5 % HCl. Эта экстракция также дала наибольшее количество общих антоцианов (0,451 г 100 г ягодного жмыха) и полифенолов (4,63 г 100 г ягодного жмыха). Однако при использовании этой системы необходимо учитывать стабильность молекул антоцианов. Простота использования и низкая стоимость этанола, а также высокий выход фе-нольных соединений при использовании этого растворителя позволяют оптимизировать процесс экстракции (табл. 1).
Наиболее часто используемыми методами экстракции полифенолов являются экстракция по методу Сокслета и экстракция с использованием микроволн, поскольку эти методы надежны для рутинного использования и дают воспроизводимые результаты. Экстракцию по методу Сокслета проводили преимущественно с растворителем (этанолом), а не с кислотой, так как уксусная кислота образует азеотропную смесь с водой в этаноле, повышая температуру кипения смеси и не позволяя кислоте контактировать с образцом. Сравнительный анализ различных методов экстракции представлен в табл. 2.
Анализ табл. 2 показал, что экстракция по методу Сокслета и метод настаивания дали значительно меньший выход сухих веществ, чем микроволновая экстракция (23,64 г и 22,64 г на 100 г ягодного жмыха, соответственно). Кроме того, метод Сокслета и метод настаивания также дали более низкое содержание извлеченных антоцианов (0,069 и 0,061 г на 100 г ягодного жмыха) и полифенолов (1,44 и 1,11 на 100 г ягодного жмыха).
Таблица 1
Сравнение различных смесей растворителей для экстракции фенольных соединений
Растворитель Содержание сухих Общее количество Антоцианы, Общее количество
веществ, г на 100 г углеводов, г на 100 г на 100 г жмыха полифенолов, г на
жмыха ягод г жмыха ягод ягод 100 г жмыха ягод
Уксусная кислота 1 % 36,62±0,24 7,24±0,14 0,221±0,02 3,79±0,05
Этанол 64 % 35,88±0,07 11,98±0,11 0,159±0,05 2,87±0,04
HCl 1,5 % 17,24±0,08 17,66±0,05 0,102±0,02 0,94±0,05
Этанол 64 % + HCl 1,5% 42,19±0,09 16,25±0,03 0,221±0,05 4,63±0,07
Таблица 2
Сравнение различных методов экстракции
Метод Содержание сухих Общее количество Антоцианы, г на 100 Общее количество
веществ, г на 100 г углеводов, г на 100 г г жмыха ягод полифенолов, г на
жмыха ягод жмыха ягод 100 г жмыха ягод
Сокслета 23,64±0,08 9,45±0,13 0,069±0,05 1,44±0,04
Микроволновая печь 38,11±0,04 13,41±0,18 0,108±0,04 1,62±0,05
24 ч настаивание 22,64±0,16 8,95±0,03 0,061±0,04 1,11±0,05
■ Общее количество пояифеиолов, г на 100 г ягодного жмыха
Сравнение эффективности экстракции общего количества полифенолов и общего количества антоцианов
из ягодного жмыха Oxycoccus palustris L. с использованием различных кислот в концентрации 1,5 % с 64 %-ным этанолом
При обработке образца в микроволновой печи происходит разрушение матрикса клеточной стенки, что обеспечивает выход различных соединений, в том числе и полифенолов, в окружающую среду, что очень важно в данном случае, так как тип образца (кожица ягод, семян) имеет толстые клеточные стенки. Результаты, полученные при микроволновой экстракции, показали, что этот метод обладает наибольшим потенциалом из всех использованных методов. Учитывая быстроту, удобство использования и низкую стоимость, этот метод является методом выбора для экстракции фенолов из ягодного жмыха.
На экстракцию полифенольных веществ влияет не только выбор растворителя, но и выбор кислоты, используемой для экстракции. Для определения наиболее оптимальной кислоты для экстракции антоцианов и фенольных веществ был проведен последовательный ряд микроволновой экстракции, в которой растворитель этанол смешивался с органическими кислотами, используемыми для экстракции полифенолов. Сравнение эффективности экстракции общего количества полифенолов и общего количества антоцианов с использованием различных кислот приведена на рисунке выше.
Часто используемой для экстракции антоцианов, является уксусная кислота, но в меньших концентрациях (0,1 % и 0,5 %), а при использовании 1,5 % уксусной кислоты выход обнаруженных антоцианов был примерно в два раза выше (0,221 г на 100 г 1 ягодного жмыха), чем при экстракции соляной и серной кислотой. Фенольные соединения, экстрагированные 1,5%-ной уксусной кислотой, показали увеличенный выход (3,79 г на 100 г ягодного жмыха). Наименьшее количество экстрагированных полифенолов наблюдалось при использовании HCl (0,94 г 100 г ягодного жмыха). В то же время количество извлеченных антоцианов (0,102 г на 100 г ягодного жмыха), что может свидетельствовать о том, что HCl способствует извлечению неантоциановых фенольных веществ (см. рисунок). В целом использование кислот для повышения выхода полифенольных экстрактов является необходимым шагом. Учитывая, что используемые кислоты не будут мешать аналитическим измерениям, экстракцию антоцианов следует проводить с помощью уксусной кислоты, а экстракцию полифенолов - с помощью HCl.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе определены наиболее оптимальные параметры экстракции полифенолов и антоцианов из ягодного жмыха Oxycoccus palustris L. после получения сока методом прессования. Были рассмотрены различные комбинации растворителей и кислот, а также методы экстракции. Проведенные эксперименты показали, что оптимальными растворителями для экстракции антоцианов являются этанол с 1,5 % уксусной кислотой, а для экстракции неанто-циановых полифенолов - 1,5 % HCl. Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют рекомендовать воспроизводимый метод экстракции полифенолов и антоцианов из ягодного жмыха Oxycoccus palustris. L. полученного способом прессования, с возможностью использовать данный метод для других ягодных жмыхов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Калинина И. В., Фаткуллин Р. И. Перспективы использования ультразвуковой экстракции в технологии производства морсов // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2013. № 3(3). С. 55-59.
2. Киселева Т. Ф., Зайцева И. С., Пеков Д. Б., Бабий Н. В. Выявление предпосылок комплексной переработки плодово-ягодного сырья Сибирского региона // Техника и технология пищевых производств. 2009. № 3(14). С. 7-11.
3. Нилова Л. П., Вытовтов А. А., Малютенкова С. М. Растительное сырье в формировании антиоксидант-ных свойств сокосодержащих напитков // Международный научный журнал. 2017. № 4. С. 83-87.
4. Нилова Л. П., Икрамов Р. А., Малютенкова С. М. Влияние СВЧ-нагрева на оптические характеристики ягодных экстрактов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2019. Т. 81, № 1(79). С. 218-224. DOI 10.20914/23101202-2019-1-218-224.
5. Овсянникова Е. А., Киселева Т. Ф., Потапов А. Н., Дюжев А. В. Исследование процесса экстрагирования дикорастущих ягод Сибири с использованием биокаталитических методов // Техника и технология пищевых производств. 2012. № 4(27). С. 110-114.
6. Петров Н. В. Сравнительная оценка запасов ягод Vaccinium myrtillus и V. vitis-idaea (Ericaceae)
в коренных и производных типах леса среднетаежных ландшафтов Карелии // Растительные ресурсы. 2019. Т. 55, № 1. С. 23-35. DOI 10.1134/S0033994619010102.
7. Потапов А. Н., Просин М. В., Магилина А. М., Понамарева М. В. Разработка экстракторов для системы «твердое тело - жидкость» // Техника и технология пищевых производств. 2013. № 3(30). С. 80-84.
8. Савельев Ю. В. Биотехнологический потенциал лесных регионов России и технико-экономическое обоснование комплексной переработки лесного биотехнологического сырья // Отходы и ресурсы. 2022. Т. 9, № 1. DOI 10.15862/02NZ0R122.
9. Федоренко Б. Н., Бородулин Д. М., Просин М. В. [и др.] Определение рациональных технологических параметров работы экстрактора Сокслета при получении спиртовой настойки из ягод клюквы // Техника и технология пищевых производств. 2020. Т. 50, № 1. С. 115-123. DOI 10.21603/2074-9414-2020-1-115-123.
10. Червяк С. Н., Погорелов Д. Ю., Ермихина М. В., Михеева Л. А. Исследование физико-химических показателей природных и синтетических красителей // Магарач. Виноградарство и виноделие. 2017. № 3. С. 31-33.
11. Чечеткина А. Ю., Мурадов М. Б., Проскура А. В. [и др.] Комплексная переработка ягод брусники и клюквы // Ползуновский вестник. 2021. № 2. С. 75-81. DOI 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.02.010.
REFERENCES
1. Kalinina I. V., Fatkullin R. I. Perspektivy ispol'zo-vaniya ul'trazvukovoy ekstraktsii v tekhnologii proizvod-stva morsov // Problemy ekonomiki i upravleniya v torgovle i promyshlennosti. 2013. № 3(3). S. 55-59.
2. Kiseleva T. F., Zaytseva I. S., Pekov D. B., Babiy N. V. Vyyavleniye predposylok kompleksnoy pererabotki plodovo-yagodnogo syr'ya Sibirskogo regiona // Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. 2009. № 3(14). S. 7-11.
3. Nilova L. P., Vytovtov A. A., Malyutenkova S. M. Rastitel'noye syr'ye v formirovanii antioksidantnykh svoystv sokosoderzhashchikh napitkov // Mezhdunarod-nyy nauchnyy zhurnal. 2017. № 4. S. 83-87.
4. Nilova L. P., Ikramov R. A., Malyutenkova S. M. Vliyaniye SVCh-nagreva na opticheskiye kharakteristiki yagodnykh ekstraktov // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologiy. 2019. T. 81, № 1(79). S. 218-224. DOI 10.20914/23101202-2019-1-218-224.
5. Ovsyannikova E. A., Kiseleva T. F., Potapov A. N., Dyuzhev A. V. Issledovaniye protsessa ekstragirovaniya dikorastushchikh yagod Sibiri s ispol'zovaniyem biokataliticheskikh metodov // Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. 2012. № 4(27). S. 110-114.
6. Petrov N. V. Sravnitel'naya otsenka zapasov yagod Vaccinium myrtillus i V. vitis-idaea (Ericaceae) v korennykh i proizvodnykh tipakh lesa srednetayezhnykh landshaftov Karelii // Rastitel'nyye resursy. 2019. T. 55, № 1. S. 23-35. DOI 10.1134/S0033994619010102.
7. Potapov A. N., Prosin M. V., Magilina A. M., Ponamareva M. V. Razrabotka ekstraktorov dlya sistemy «tverdoye telo - zhidkost'» // Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. 2013. № 3(30). S. 80-84.
8. Savel'yev Yu. V. Biotekhnologicheskiy potentsial lesnykh regionov Rossii i tekhniko-ekonomicheskoye obosnovaniye kompleksnoy pererabotki lesnogo biotekhnologicheskogo syr'ya // Otkhody i resursy. 2022. T. 9, № 1. DOI 10.15862/02NZ0R122.
9. Fedorenko B. N., Borodulin D. M., Prosin M. V. [i dr.] Opredeleniye ratsional'nykh tekhnologicheskikh parametrov raboty ekstraktora Soksleta pri poluchenii spirtovoy nastoyki iz yagod klyukvy // Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. 2020. T. 50, № 1. S. 115-123. DOI 10.21603/2074-9414-2020-1-115-123.
10. Chervyak S. N., Pogorelov D. Yu., Ermikhina M. V., Mikheyeva L. A. Issledovaniye fiziko-khimicheskikh pokazateley prirodnykh i sinteticheskikh krasiteley // Magarach. Vinogradarstvo i vinodeliye. 2017. № 3. S. 31-33.
11. Chechetkina A. Yu., Muradov M. B., Proskura A. V. [i dr.] Kompleksnaya pererabotka yagod brusniki i klyukvy // Polzunovskiy vestnik. 2021. № 2. S. 75-81. DOI 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.02.010.
© Еременко О. Н., Кох Ж. А., 2023
Поступила в редакцию 30.04.2023 Принята к печати 02.10.2023
