CC BY
40
УДК 547.979.8
Л.В. САЛСБА, Д.Г. САРШеКОВА, О.М. КУНИК, Г.С. САР1БЕКОВ, К.е. МИКИТЕНКО
Херсонський нацюнальний технiчний ушверситет
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ЕКСТРАГУВАННЯ КАРОТИНО1Д1В
В po6omi вивчено процес екстрагування природних барвниюв каротиноШв з моркви. Дослiджено селективтсть органiчних розчинниюв щодо вилучення природних сполук. Пiдi6рано оптимальт умови процесу: температура, час, краттсть екстрагування. Запропоновано технологiчну схему вилучення барвника i проведено забарвлення карамельног маси.
Ключовi слова: каротиногди, морква, екстракцiя.
Л.В. САЛЕБА, Д.Г. САРИБЕКОВА, А.Н. КУНИК, Г.С. САРИБЕКОВ, К.Е. МИКИТЕНКО
Херсонский национальный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ КАРОТИНОИДОВ
В работе изучен процесс экстрагирования природных красителей каротиноидов из моркови. Исследована селективность органических растворителей по извлечению природных соединений. Подобраны оптимальные условия процесса: температура, время, кратность экстрагирования. Предложена технологическая схема извлечения красителя и проведено окрашивание карамельной массы.
Ключевые слова: каротиноиды, морковь, экстракция.
L. SALEBA, D. SARIBEKOVA, A. KUNIK, H. SARIBEKOV, K. MIKITENKO
Kherson National Technical University
STUDY OF EXTRACTING CAROTENOIDS
The paper studied the process of extraction of natural pigments carotenoids from carrots. Selectivity studied organic solvents for extraction of natural compounds. The optimal process conditions are selected: temperature, time, frequency extraction. Scheme for dye extraction process is suggested and staining the caramel mass is carried out.
Keywords: carotenoids, carrot, extraction.
Постановка проблеми
Каротиновди e найб1льш розповсюдженою, багаточисельною та важливою групою природних шгменпв у рослинному та тваринному свт. Ввдомо бшьше нж 600 каротинощв, але лише б1ля 50 з них ввдносяться до провгташну А. Молекула каротинощв в основ1 мае полieновий ланцюг, побудований з чотирьох ланок i3onpeHy, по шнцях якого розташованi циклоreксеновi або iншi алiфатичнi залишки (рис. 1). Попередниками вгтамшу А е ii каротино!ди, до складу молекул яких входить шльце Р-юнона (3,4-депдроюнона), зв'язане з ал1фатичним ланцюгом, який мютить систему спряжених подвшних зв'язк1в. Найб1льшу бюлопчну щнтсть мае Р-каротин (умовно и приймають р1вною 100 %), актившсть а-каротину - 53 %, у-каротину - 48 %, крштоксантину - 40 %.
Дослвдниками встановлено [1 - 3], що каротино!ди виконують так1 функци: нешк1дливий харчовий барвник (Е160), що надае продуктам харчування тони ввд блвдо-жовтого до червоно-оранжевого вщпншв; бюлопчно активна харчова добавка з лжувально-профшактичними властивостями; адаптоген i радюпротектор, що забезпечуе захист оргашзму ввд впливу юшзуючого випромшювання, х1м1чних канцерогенiв та шших шкiдливих факторiв; антиоксидант, який нейтралiзуe активнi радикали, що утворюються в оргашзм^ а також сприяе подовженню строк1в зберiгання продуктiв харчування.
Основною сировиною для одержання каротину е морква, гарбуз, облшиха, люцерна, але сучаснi успiхи бютехнологи дозволяють в значнiй мiрi вирiшувати проблеми виробництва каротину з шших джерел. Такими джерелами можуть бути одноклтшнш водоростi, мiцелiальнi гриби, бактери [1 - 4].
З рослинних матерiалiв каротино1ди можуть бути видшеш екстракцiею розчинниками, що не мютять пероксидiв, пiд розсiяним свiтлом в шертнш атмосферi з подальшим омиленням та хроматографiчним роздiленням.
Як1сно та шльшсно каротиновди можна визначити за штенсивнютю максимуму поглинання свiтла у синьо-фюлетовш дiлянцi спектра за допомогою фотоколориметричного або спектрофотометричного методiв, а також за допомогою хроматографп.
Каротин використовуеться як харчова добавка для забарвлення масла, маргарину, сиру, майонезу, йогурпв, згущеного молока, кондитерських i борошняних виробiв, макаронiв, хлiбобулочних виробiв i в невеликий кiлькостi як виамшний додаток в продуктах харчування.
Розширення сфер застосування натуральних каротинощв та збiльшення асортименту вже юнуючо! продукци, що мiстить Р-каротин, вимагае збiльшення об'емiв та вдосконалення промислового виробництва каротину з рослинно! сировини, що вирощуеться в Украш.
Аналiз останнiх досл1джень i публiкацiй Харчова промисловють Украши, як i шших держав свпу, прагне знов дшти гармони з природою, використовуючи натуральш барвники i харчовi добавки, а також тдвищити iмунну вiдповiдь людини в умовах техногенного, фiзичного, хiмiчного i емоцiйного стресу за рахунок використання бiологiчно активних природних речовин. Природш комплекси каротинощв мають б№ш високу стабiльнiсть, бiологiчну активнiсть та засвоюванють, нiж продукти хiмiчного i мiкробiологiчного синтезу [5].
Найбiльше поширення у харчовiй промисловостi набув саме Р-каротин завдяки сво!м фiзiологiчним i технологiчним функцiям. Як харчову добавку при виробницга рiзноманiтних харчових продукпв його застосовують не у чистому вигляд^ а у виглядi товарних форм: олiерозчинних препаратiв - масляних розчишв (концентрацiею 0,1; 0,2; 1,0; 2,0 %), жирово! суспензи (концентращею 10 - 30 %), дисперсш у водi, а також у виглядi кристалiчного порошку (мiкробiологiчний i синтетичний) i водорозчинного порошку (синтетичний, який мiстить не менше 96 % р-каротину) [6].
Джерелами промислового отримання Р-каротину служать добре вiдомi рослини: свiжi коренеплоди моркви поавно!, томати i свiжа м'якоть гарбуза, китки календули. У квiтках i листках календули знайденi так1 каротино!ди: Р-, у- i 8-каротин, ткотн, неуспорин, люте!н, вiолаксантин, флавоксантин, рубжсантин та iн.. у кiлькостi 91 - 1546 мг% в залежносп вiд сировини. Плоди облiпихи мютять каротино!ди: а-, Р- i у-каротин, лiкопiн, полiцислiкопiн, зеаксантин та ш. (до 10,9 мг%). У гарбузi з каротинощв iдентифiкованi: лiкопiн, флавоксантин, вюлаксантин, тарактсантин (15 - 25 мг%). У морквi: а- i Р-каротин, лiкопiн, флавоксантин i тарактсантин (10 - 15 мг%) [7, 8].
В якосп екстрагентiв для вилучення каротинощв найчастiше використовують ацетон, метанол, далi каротино1ди переводять у петролейний ефiр або гексан. Останшм часом для харчово1 промисловостi застосовують безпечнiшi розчинники: етиловий спирт, етилацетат, iзопропiловий спирт або !х сумшг
Формулювання мети дослщження Каротиноlднi барвники е лшоф№ними, тому розчиняються у рослинних олiях. Важливим е одержання барвника не пльки у лшоф№нш фазi для забарвлення жиромiстких продукпв, але й товарно1 форми барвника для забарвлення напо1в, сок1в, горшчаних виробiв. Тому дослiдження у цш сферi е доцiльними. Метою дано1 науково1 роботи було дослiдити процес екстрагування природних барвник1в каротиноlдiв i розробити технологiю !х екстрагування.
Викладення основного матерiалу досл1дження У якосп об'екта досл1дження у роботi було обрано моркву, як доступну природну сировину, що мiстить велику шльшсть каротинiв. Процес екстракцil проводили з подрiбненоl, в1джато1 в1д соку сировини при модулi 10, при шмнатнш температурi, протягом 1,5 годин. Для дослщження впливу природи розчинника на процес вилучення каротинощв обрали таю розчинники: етиловий спирт, гексан, петролейний ефiр. Отримаш екстракти аналiзували на КФК-2МП. Оптичну густину при довжиш хвилi 450 нм використовували для розрахунку кiлькостi екстрагованих каротиноíдiв в перерахунку на Р-каротин, результати наведено у таблиц! 1. Кшьшсть жовтих шгменпв обчислюють, використовуючи катбрувальний графiк за стандартним розчином бiхромату кал1ю концентрацiею 360 мг/л. 1 мл стандартного розчину К2Сг207 ввдповвдае 2,08 мкг каротину [9].
В результата розрахунк1в було встановлено, що вмют Р-каротину з урахуванням вологосп сировини, що дорiвнюе 83,5 %, при вилученш етанолом складае 7,9 мг %, гексаном у 4 рази менше, петролейним ефiром у 8 разiв менше, що пояснюеться р!зною полярн!стю використаних розчинник1в.
Для оцшки селективностi р!зних розчинник1в щодо вилучених природних сполук проводили побудову спектральних характеристик екстрактiв на при6ор! 8ресо1 11, кювета 10 мм. Результати наведено на рисунку 2.
Таблиця1
Вплив природи _ екстрагенту на кшьккть вилученого Р-каротину_
Назва екстрагенту Оптична густина Вмют Р-каротину, мг/100 г
сиро!сировини сухо!сировини
Етиловий спирт 96 % 0,429 1,30 7,90
Гексан 0,097 0,30 1,82
Петролейний ефiр 0,050 0,16 0,97
Довжина хвилi, нм
• етанол гексан • петролшний ефiр
Рис. 2. Спектри поглипаппя екстрак™ каротино\дав рпиими розчинниками
З лггературних джерел ввдомо, що каротино!ди поглинають свiтло в синьо-фiолетовiй дмнщ спектра. Наприклад а-каротин при довжинах хвиль 420 нм, 440 нм, 470 нм; р-каротин - 425 нм, 450 нм i 480 нм; люте!н - 425 нм, 445 нм та 475 нм).
Найбшьш характерний спектр з головними максимумами поглинання для а-каротину i р-каротину був одержаний при використанш у якостi екстрагенту полярного розчинника - етанолу. Тому для подальшого досл1дження у якостi екстрагента використовували 96 % етиловий спирт.
Для визначення параметрiв процесу екстрагування важливо досл1дити температуру екстрагування та час екстракци. На першому етат проводили визначення впливу температури на яшсть i к1льк1сть вилучених речовин. Температуру екстракци варшвали у межах: 15 - 20 оС, 30 - 35 оС, 50 -55 оС. Процес проводили з наважкою сировини 1 г та об'емом екстрагенту 10 мл протягом години. Даш наведеш в таблиц 2 i на рисунку 3.
Таблиця 2
Вплив температури екстрагування па кшьккть Р-каротину_
Температура екстрагування, оС 15 - 20 30 - 35 50 - 55
Вмют Р-каротину, мг/100 г сухо! сировини 25,14 26,53 27,26
За спектральними характеристиками можна зробити висновок про характер поглинання вилучених сполук, штенсившсть i чистоту кольору отриманого барвника. За рахунок пiдвищення температури екстрагування спостертаеться прирiст вмiсту каротинощв на 8,5 % у порiвнянi з шмнатною температурою. Кращi результати по вмюту Р-каротину одержанi при температурi 50 оС i складають 27,3 мг/100 г сухо! сировини.
Але одержат екстракти мутнi i потребують фiльтрування, оск1льки при збiльшеннi температури можливо вилучення iнших природних сполук, супутшх каротино!дам. На спектральних кривих одержаних екстрактiв спостерiгаемо розширення максимуму поглинання при 450 нм, що сввдчить про
меншу чистоту кольору, крш того при висок1и температурi спостернаються втрати розчинника i можливо окислення р-каротину киснем повiтря з утворенням рiзних окислених форм (фiтоксантинiв). Таким чином, з урахуванням економiчноl складово! технологiчного процесу рацiональним температурним дiапазоном для вилучення каротинощв е 15 - 20 оС.
а н
пт О
0,7 0,6 0,5
ГТ 0,4
0,3
0,2
0,1
300 350 400 450 500 550 Довжина хвил^ нм 20°С 30-35°С -А- 50-55°С
600
0
Рис. 3. Спектри поглинання спиртових екстрак^в каротино'щв в залежност в1д температури
На наступному етапi роботи обирали оптимальний час екстрагування, як один iз важливих параметрiв процесу. Екстрагування проводили у дешлька етапiв, до виснаження, загальним часом 3 години. Осшльки при кiмнатнiИ температурi було одержано бшьш чистi екстракти, процес проводили при температурi 20 оС, додаючи до 1 г подрiбненоl сировини кожнi пiвгодини 10 мл свiжого етилового спирту.
Результати визначень наведено в таблиц 3 та на рисунку 4.
0,7
0,6 0,5
а н
ит
тус 0,4 уг
а н
пт О
0,3 0,2 0,1 0
5555555555555555555
Довжина хвилi, нм
0,5 год.
1 год.
1,5 год.
2 год.
Рис. 4. Електрош спектри поглинання спиртових вилучень з моркви в залежносп вщ часу
екстракци
Загалом за три години екстрагування було видшено каротинощв 64,36 мг/100 г сухо! сировини. За першi 30 хвилин вщбувалося екстрагування сполук, що поглинають свило при довжиш хвилi 340, 400, 450 i 475 нм, це складае 18,5 % ввд загально! кшькосп вилучених каротинощв. Протягом наступних 1 -1,5 години екстрагування вщбувалося рiвномiрно з приростом близько 20 - 30 %, i за останш пiвгодини (5 екстракцiя) прирют склав 10 % ввд загально! кшькосп. Таким чином, вмiст каротинощв значно зростае за першi 1.. .3 екстракцй' i за 2,5 години складае 90,3 %.
Таблиця 3
Залежмсть кiлькостi екстрагованих каротиновдв Big часу екстракцй'_
Час екстракци, хв. 30 60 90 150 180
Юлькють екстрагованих каротинощв, мг /100 г сиро! сировини 1,66 2,03 2,68 1,74 0,88
Юлькють екстрагованих каротинощв, мг % сухо! сировини 10,08 12,33 16,27 10,56 5,34
Стутнь вилучення, % 18,5 22,6 29,8 19,4 9,8
Анатзуючи отримаш результати, можно зробити висновок, що рацюнальним часом для екстракцй' каротинощв при шмнатнш температурi етиловим спиртом е 2 години, осшльки за наступну годину вилучаеться лише 20 % ß-каротину вiд отриманого рашше, тобто витрачений час i втрати розчинника значно бiльшi, н1ж шлькють вилученого ß-каротину.
Концентрований барвник використовували для забарвлення карамельно! маси. Для ощнювання якостi подальшого зберiгання карамельно! маси проводили визначення основних показнишв для льодяниково! карамелi за ДСТУ 3893-99, а саме вологостi i вмiсту редукуючих цукрiв [10]. Одержат результати показали, що волопсть карамельно! маси збшьшуеться до 5 %, та незначно зб№шуеться вмiст редукуючих цу^в. Для того щоб не було мжробюлопчного псування карамелi при збер^анш необх1дно контролювати цi показники.
Висновки
1. Дослщжено екстракцiю каротинощв з моркви при рiзних умовах. В якосп оптимального екстрагенту серед дослщжених обрано етиловий спирт 96 %. Визначеш оптимальнi i бшьш рацiональнi час i температура для екстракцй.
2. Запропоновано технологiю вилучення ß-каротину з моркви: подрiбнення сировини до розмiру часток 1,5 - 1 мм; екстрагування 96 % етиловим спиртом при модулi 10, температурi 20 оС i протягом 2 годин. Визначено, що для досягнення високого виходу каротино!дiв i iнтенсифiкацi! процесу екстрагування необхвдно використовувати не температурш чинники, а макрошнетичш (перемiшування сировини, висушування подрiбнено! сировини).
3. Одержат екстракти пiсля концентрування можна використовувати для забарвлення харчових продукпв та напо!в.
Список використаноТ лiтератури
1. Peterson W.J. The carotenoid pigments / W.J. Peterson, J.S. Hughes, L.F. Payne, W.C. Austin // Kansas state printing plant. USA. - 1939. - Р. 5 - 7.
2. Vogele A.C. Effect of Enviromental factors upon color of the tomato and the watermelon / A.C. Vogele // Plant Phys.12. - 1937. - Р. 929 - 955.
3. Кудрицкая, С. Е. Каротиноиды плодов и ягод [Текст]: справ. изд. / С.Е. Кудрицкая. - К.: Вища школа, 1990 - 212 с.
4. Воробьёва, Л.И. Микробиологический синтез витаминов [Текст]: справ. изд. / Л.И. Воробьёва. -М.: Изд-во МГУ, 1982. - 168 с.
5. Камсулша, Н.В. Технология рослинно! оли, збагачено! каротино!дами моркви, та и використання при виробнищга продукпв харчування [Текст] : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. тех. наук : спец. 05.18.16 «Технология продукпв харчування» / Камсулша Наталгя Валернвна ; [Харшвська державна академiя технологи та оргашзаци харчування] . - Харшв, 2002. - 20 с.
6. Пат. № 33280 А Укра!ни, МКИ6 А23 D9/00, А23 D9/02. Споаб одержання забарвлено! ол^! / Камсулiна Н.У, Федак Н.В., Прочан О.В., Гарнцарек Б.Ч., Тщенко Л.М., Полевич В.В., Перцевий Ф.В., Савпра Ю.О. - № 99020680 ; Заявл. 08.02.1999 ; Опубл. 15.02.2001 ; Бюл. № 1 -2 с.
7. Гудвин, Т. Сравнительная биохимия каротиноидов: пер. с англ. [Текст]: справ. изд. / Т. Гудвин. -М.: Изд-во иностр. лит., 1954. - 366 с.
8. Бриттон, Г. Биохимия природных пигментов [Текст] : монография / Г. Бриттон - Пер. с англ. -М. : Мир, 1986. - 424 с.
9. Харламова, О.А. Пищевые красители [Текст] / О.А. Харламова, Б.В. Кафка - М. : Пищевая промышленность, 1979. - 191 с.
10. ДСТУ 3893-99. Карамель. Загальш техшчш умови [Текст] - Введ. 1999-08-02. - Ки!в : Держстандарт Укра!ни, 2001. - 14 с.
