Разработка оптимальных параметров получения водного экстракта листьев стевии с целью использования его в напитках с функциональными свойствами Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

ТЕМА НОМЕРА

УдК 663.479

разработка оптимальных параметров получения водного экстракта листьев стевии

для его использования в напитках с функциональными свойствами

Г. В. Агафонов,

д-р техн. наук, профессор; А. Е. Чусова,

канд. техн. наук, доцент; Н. С. Баймашова,

аспирант

Воронежский государственный университет инженерных технологий

Н. Д. Верзилина,

д-р с.-х. наук, профессор Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I

К. К. Полянский,

д-р техн. наук, профессор Воронежский филиал Российского экономического университета им. Г. В. Плеханова

В настоящее время в Российской Федерации, как и во всех странах развитого мира, происходит значительное изменение отношения людей, в особенности социально активных слоев населения, к собственному здоровью: исчезают старые представления, что «здоровье ничего не стоит, затраты на него не дают никакой отдачи и им можно пренебречь». Становится все более понятным, что именно здоровье — самое ценное достояние человека, так как определяет его работоспособность в современном обществе и, соответственно, уровень жизни и благополучия.

Учитывая роль питания в здоровье нации, многие страны, в том числе РФ, приняли и внедряют национальные концепции государственной политики в области здорового питания. Активное участие государства в решении вопросов конкурентоспособности имеет стратегическое значение, связанное с устойчивым развитием отечественного производства и повышением качества жизни российских граждан. В 2009 г.

принята Стратегия национальной безопасности РФ до 2020 г., в 2010 г. — Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации [1].

Закон Воронежской области от 30.06.2010 № 65 «О стратегии социально-экономического развития Воронежской области на долгосрочную перспективу» определяет улучшение здоровья населения и среды обитания как актуальную проблему стратегического развития региона и предполагает реализацию комплекса мер, охватывающих три вектора развития, в том числе формирование здорового образа жизни.

В рамках этой проблемы предполагается реализация мер, в числе которых для настоящего проекта особое значение имеют улучшение качества питания, за счет развития АПК региона, и расширение пропаганды здорового образа жизни.

Одной из возможностей улучшения качества питания может стать потребление безалкогольных напитков функционального назначения. Функциональные напитки — это такие напитки, которые помимо известных свойств (способность утолять жажду, приносить удовольствие и т. п.) обладают дополнительной пользой для здоровья человека, так как в их состав входят биологически активные компоненты — витамины, минеральные вещества, микроэлементы, некоторые витамино-подобные вещества, водорастворимые растительные экстракты (флавоноиды, глюкозиды), повышающие адаптивные возможности организма [2].

Таблица 1

Температура экстракции, °С Общее содержание экстрактивных веществ водном извлечении, % от массы стевии Сумма дитерпеновых гликозидов в водном извлечении, % от массы стевии Выход сухого продукта, % от массы стевии

40 36,51 5,12 7,37

50 37,22 6,04 8,23

60 38,01 6,67 8,47

70 40,17 7,44 9,11

80 43,64 7,81 9,87

90 46,11 8,17 10,32

100 47,22 8,19 10,33

16 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2015

Как известно, люди, страдающие нарушениями углеводного обмена, в том числе сахарным диабетом, испытывают недостаток антиоксидантов в организме. С целью его восполнения, в состав функционального напитка будет входить экстракт стевии.

Стевия — самая молодая сельскохозяйственная культура в современном растениеводстве. В 1996 г. стевия была впервые включена в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в Российской Федерации.

Флавоноиды — важные компоненты стевии, обладающие иммустимулирую-шими, иммуномодулирующими и анти-оксидантными свойствами. Спектр влияния флавоноидов в организме велик: контроль состояния микроциркуляции в тканях, влияние на деятельность гладкой мускулатуры сосудов и внутренних органов, сердечной мышцы и пищеварительного тракта. Флавоноиды оказывают капилляроукрепляющее действие, уменьшают ломкость сосудов и защищают от накопления холестерина, способствуют рассасыванию образовавшихся бляшек и тромбов, снижают тягу к алкоголю и курению. Флавоноиды совместно с витаминами С, Е, селеном участвуют в поддержании нормальной функции антиоксидантной защиты. Антиоксидантная активность связана с присутствием в продуктах природных соединений, таких как флавонои-ды, оксикислоты и другие соединения. Антиоксиданты защищают клеточные структуры от повреждения свободными радикалами, предохраняя организм человека от болезней [3].

Помимо этого стевия непосредственно и опосредованно, через снижение потребности в жирной и сладкой пище, уменьшает содержание холестерина и других липидов в сыворотке крови, что способствует угнетению скорости развития атеросклеротических процессов. Естественно, что такое изменение ли-пидного и связанного с ним углеводного обмена уменьшает риск развития атеросклероза и сердечнососудистых заболеваний: ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда, инсульта [4].

Основная цель данного этапа работы — выбор оптимальных параметров получения водного экстракта стевии.

В качестве исходного сырья при получении экстракта использовали листья стевии сорта Рамонская сластена.

Степень измельчения (1-3 мм) выбрали, исходя из результатов экспери-

Г"|-»\/ IJI/ I 11 ^ f~\ l_J А Пциь 1С ид П1ЛТ1/ | Л п па О ПТ1ЛИ1 д п L LJ f~\ Г11Л Т AM М П

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕНАПИТКИ для ОПТИМАЯЬНОГОПИТАНИЯ

40

50

-I-1-160 70 80 Температура экстракции, °С

90

100

Рис. 1. Выход продукта в водном извлечении в зависимости от температуры экстракции

Таблица 2

Гидромодуль Общее содержание экстрактивных веществ в водном извлечении, % от массы стевии Сумма дитерпеновых гликозидов в водном извлечении, % от массы стевии Выход сухого продукта, % от массы стевии

1:5 45,95 7,98 10,02

1:10 46,11 8,17 10,32

1:15 42,11 7,78 9,78

ментов д-ра с.-х. наук Г. К. Подпорино-вой [2].

Основные факторы, влияющие на процесс перехода стевиозида из листьев в раствор, — температура, гидромодуль, продолжительность экстракции.

Оптимальную температуру водной экстракции определяли экспериментальным путем. Полученные данные представлены в табл. 1.

Проведение водной экстракции при 40...100 °С позволяет увеличить содержание экстрактивных веществ, а вследствие этого и суммы дитерпено-вых гликозидов в водном экстракте из листьев стевии, растет и выход сухого целевого продукта. Проведение экстракции при температуре ниже 90 °С снижает содержание суммы дитерпено-вых гликозидов в водном экстракте, что приводит к снижению выхода целевого продукта.

Повышение температуры экстракции выше 100 °С не увеличит выход продукта (рис. 1). Результаты исследований показали, что оптимальное извлечение дитерпеновых гликозидов, а следовательно и выход продукта, достигается при температуре экстракции 90 °С. Увеличение температуры свыше 90 °С повышает выход продукта незначительно — на 0,09 %.

Гидромодуль (соотношение сырья и экстрагента) значительно влияет на выход экстракта, поэтому была проведена серия опытов по подбору наиболее оптимального гидромодуля. Полученные данные представлены в табл. 2.

Так как выход сухого продукта должен зависеть в большей степени от эффективности процесса экстракции, то снижение выхода остатка может быть напрямую связано с увеличением выхода органических веществ. При увеличении гидромодуля обработки возрастает градиент концентрации между водой и стевией, что приводит к уменьшению выхода сухого продукта.

Из табл. 2 видно, что при гидромодуле 1: 5 хоть и высоко содержание экстрактивных веществ, но содержание дитерпеновых гликозидов меньше, чем при экстракции в соотношении 1 : 10, где содержание гликозидов выше, следовательно, выше и выход сухого продукта. Дальнейшее увеличение гидромодуля ведет к уменьшению выхода, а следовательно не рационально в использовании.

Продолжительность экстракции также подбирали по серии экспериментов (табл. 3).

При увеличении продолжительности экстракции c 60 до 180 мин наблюдает-

0

1 <

§

ш I-

4 • 2015

ПИВО и НАПИТКИ 17

ТЕМА НОМЕРА

"О г

а> х ю го о си оВ

(—1 си

Содержание экстрактивных веществ в каждом сливе, % от массы стевии

го К К

о

Еа *

К Еа я

го сг

X о 1э

1э я

1э О

о

-в- я

05 Ч

4 43

о я

43 33

05 2

го я

4 я

05 33

ф

ф а

С4

■е-

05

о

43 О ГО

я

43 я

го

ф

1э ф

я е

43 }Э

О ^

. . я о

ГО ш

ф Я ф 0

о ч я ?

о го

4 с-

"2 *

* 2

§ к

5 рч

К о

го го С4 о

8 Оё

ё о » о

^ г

е

ф

п:

ф

о ч

5 *

43

ф

е *

и я ф А

Еа я сг ф

£ я

я о

со 43 -а 43 ф ф о

ж & щ

ф я о

: я

: »

' го

I ¡2 -е-

! Я 05

ж ^

й ° ГО -тз

: я е

о "

я 1э

а ><! Э Й

го

Еа

я

33

я Я

41 -6

ф 5

43 ф

Я я

? 05

43 05

а

ф ч

43

е

ш Я о

4

43

05

Я Я

я я

Еа я о

ч

С4

ф

го

о

ч

ф

го я я

я

С4

* д

О

05

я 43

я ф

СГ Со

* ^

Е ч

Еа 05

я н

~ »5

° г

я е

¡3 го

я В

я

43 Я

О 43

Го ^

£ го

Я Ф я

я ф

05 я

я го

-Й 05

о 2 ч я

ГО }я

О

я ф

тз

*

05

я

я

33

ш Я о

4

43

05

я го я

С4 X го

Еа

я

в

С4

го

о

ё С4

г р

В ё

43 с^ 05

е а

а о

® 9 ф м

й п я

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕНАПИТКИ для ОПТИМАЯЬНОГОПИТАНИЯ

Таблица 5

Кодированные значения факторов Критерии

Опыты Х2 Х3 У* % от массы стевии У 2' кВт-ч/дм3 экстракта

1 -1 -1 -1 0,45 0,0772

2 -1 +1 -1 0,85 0,0807

3 +1 -1 -1 0,50 0,1030

4 +1 +1 -1 0,80 0,1076

5 -1 -1 +1 0,90 0,0772

6 -1 +1 +1 0,97 0,0807

7 +1 -1 +1 1,0 0,1048

8 +1 +1 +1 0,85 0,1080

9 -1,682 0 0 0,40 0,0662

10 +1,682 0 0 0,85 0,1189

11 0 -1,682 0 0,02 0,0860

12 0 +1,682 0 0,83 0,0950

13 0 0 -1,682 0,60 0,0917

14 0 0 +1,682 1,05 0,0900

15 0 0 0 1,10 0,0942

16 0 0 0 1,15 0,0945

17 0 0 0 1,20 0,0942

18 0 0 0 1,10 0,0947

19 0 0 0 1,17 0,0950

20 0 0 0 1,19 0,0942

Wa

ш

§

0

1 <

§

ш I-

Рис. 3. Кривые равных значений суммы дитерпеновых

гликозидов от температуры водной экстракции Т (°С) и продолжительности экстракции т (мин), % от массы стевии

Рис. 4. Кривые равных значений суммы дитерпеновых

гликозидов от температуры водной экстракции Т (°С) и гидромодуля (ГМ), % от массы стевии

тракции, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров экстракции стевии доставляли минимум энергозатрат и максимум суммы дитерпеновых гликозидов.

Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей модели:

q = q (yPy2) ^ opt; * 6 D

D: y1 (*p*2,*3) ^ max; * 6 D (3)

y2 (*1,*2,*3) ^ min; * 6 D

Введем предположения, что полученные уравнения регрессии (1) и (2) описывают некоторые поверхности в

многомерном пространстве, а по коэффициентам канонической формы установим, к какому виду тел относятся эти поверхности.

В табл. 6 сведены выбранные оптимальные интервалы изменения параметров х. для всех исследуемых выходных факторов.

Согласно критерию оптимизации (3) для принятия окончательного решения по выбору оптимальных режимов исследуемого процесса, необходимо решить компромиссную задачу, накладывая оптимальные интервалы параметров х друг на друга (рис. 7, 8).

В результате применения указанного метода были получены рацио-

нальные интервалы изменения параметров:

х1 = 85.90 °С;

х2 = 100-120 мин; х3 = 1:9-1:10.

Для проверки правильности результатов поставили ряд параллельных экспериментов. Полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 3,2 %.

Полученный экстракт светло-коричневого цвета с зеленоватым оттенком, обладал средней сладостью и небольшой горечью, имел травянистый, не сильно

4 • 2015 ПИВО и НАПИТКИ 19

Рис. 5. Кривые равных значений суммы дитерпеновых гликозидов от продолжительности экстракции т (мин) и гидромодуля, % от массы стевии

Рис. б. Кривые равных значений удельных

энергозатрат от продолжительности экстракции т (мин) и гидромодуля, кВт-ч/дм3

Таблица 6

X,, °с X , мин Х3

У1 тш тах тш тах тш тах

У1 98 110 130 170 1:8 1:12

Уг 70 80 60 110 1:7 1:11

1,4 -1,3 -1,2 -1,1 " 1,0 0,9 0,8

-2 -1,5 -1

-0,5 0 0,5 х, °С — х, мин —

1,5

Рис. 7. Зависимость суммы дитерпеновых гликозидов

от температуры экстракции хЛ, продолжительности процесса х2 и гидромодуля х3

0,11 -

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 — х1, °С — х2, мин — х3

Рис. 8. Зависимость удельных энергозатрат

от температуры экстракции хг, продолжительности процесса х2 и гидромодуля х3

1

2

х

выраженный запах. Экстракт с данными характеристиками предназначен для применения в пищевой промышленности, в частности, в приготовлении напитков для диабетиков в качестве подсластителя.

Таким образом, полученный нами экстракт отвечает современным требованиям рынка, учитывает основные тенденции его развития и может применяться при создании продуктов функционального назначения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новикова, И. В. Социальная значимость разработки биотехнологии напитков на осно-

ве солодовых экстрактов/И. В. Новикова, Е. А. Коротких, Л. В. Голубева // Экономика. Инновации. Управление качеством — научно-теоретический журнал. — 2014. — № 4 (9). — С. 76-77.

2. Новикова, И. В. Перспективы развития Российского рынка функциональных напитков/И. В. Новикова, Е. А. Коротких, Г. В. Агафонов // Продовольственная безопасность: научная, кадровое и информационное обеспечение: Ч. 1. — Матер. международ. научно-техн. конф. — Воронеж: ВГУИТ, 2014. — С. 284-287.

3. Лисицин, В. Н. Стевия — источник здоровья и долголетия нации/В. Н Лисицин, И. П. Кова-

лев // Пищевая промышленность. — 2000. — № 5. — С. 28.

4. Мельникова, Е. И. Безалкогольные напитки с компонентами нетрадиционного сырья/Е. И. Мельникова, К. К. Полянский // Пиво и напитки. — 2003. — № 3. — С. 30-32.

5. Подпоринова, Г. К. Экологические аспекты производства и переработки стевии // Ав-тореф. дисс. ... д-ра с.-х. наук. — Воронеж: ВГАУ, 2006.

6. Грачев, Ю. П. Математические методы планирования экспериментов/Ю. П. Грачев // Пищевая промышленность. — 1970. — 200 с. &

20 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2015

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕНАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГОПИТАНИЯ

Разработка оптимальных параметров получения водного экстракта листьев стевии с целью использования его в напитках с функциональными свойствами

Ключевые слова

вода; время; гидромодуль; стевия; температура; экстракт. Реферат

Для придания сладости напитку и для снижения его калорийности используют экстракт стевии. Важным компонентом стевии являются флавоноиды, обладающими иммуностимулируюшими, иммуномодулирующими и антиок-сидантными свойствами. Спектр влияния флавоноидов в организме велик: контроль состояния микроциркуляции в тканях, влияние на деятельность гладкой мускулатуры сосудов и внутренних органов, сердечной мышцы и пищеварительного тракта. Флавоноиды оказывают капилляроукрепляющее действие, уменьшают ломкость сосудов и защищают от накопления холестерина, способствуют рассасыванию образовавшихся бляшек и тромбов, снижают тягу к алкоголю и курению. Флавоноиды совместно с витамином С, Е, селеном участвуют в поддержании нормальной функции антиоксидантной защиты. Антиоксиданты защищают клеточные структуры от повреждения их свободными радикалами, это предохраняет организм человека от болезней. Основная цель данного этапа работы — выбор оптимальных параметров получения водного экстракта стевии. В качестве исходного сырья для получения экстракта использовали листья стевии сорта Рамонская сластена, выращенные на исследовательских участках Воронежского государственного аграрного университета им. Императора Петра I. Работу выполняли в Воронежском государственном университете инженерных технологий и Воронежском филиале Российского экономического университета им. Г. В. Плеханова. Основные факторы, влияющие на процесс перехода стевиозида из листьев в раствор — температура, гидромодуль, продолжительность процесса. Были получены следующие оптимальные параметры процесса экстракции: температура 85..90 °С, гидромодуль 1:9-1:10, продолжительность 100-120 мин. Выход стевиозида составил 10,32% от массы стевии. В результате выполнения двадцати опытов получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать удельные энергозатраты и сумму дитерпеновых гликозидов внутри выбранных интервалов варьирования входных параметров. Для проверки правильности результатов был поставлен ряд параллельных экспериментов. Полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 3,2%. Полученный экстракт был светло-коричневый с зеленоватым оттенком, обладал средней сладостью и небольшой горечью, имел травянистый, не сильно выраженный запах. Экстракт с данными характеристиками предназначен для применения в пищевой промышленности, а в частности в приготовлении напитков для диабетиков в качестве подсластителя. Авторы считают, что полученный экстракт можно использоваться в пищевой промышленности для создания продуктов функционального назначения, так как он отвечает современным требованиям рынка, учитывает, что именно здоровье — самое ценное достояние человека, так как определяет его работоспособность в современном обществе и, соответственно, уровень жизни и благополучия.

Авторы

Агафонов Геннадий Вячеславович, д-р техн. наук, профессор;

Чусова Алла Евгеньевна, канд. техн. наук, доцент;

Баймашова Наталия Сергеевна, аспирант

Воронежский государственный университет инженерных технологий,

394000, г. Воронеж, проспект Революции, д. 19, [email protected]

Верзилина Наталья Дмитриевна, д-р с.-х. наук, профессор

Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I,

394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1, [email protected]

Полянский Константин Константинович, д-р техн. наук, профессор,

Воронежский филиал Российского экономического университета

им. Г. В. Плеханова,

394000, г. Воронеж, ул. К. Маркса, 67а, [email protected]

Selection of Optimal Parameters for Producing an Aqueous Extract of the Leaves of Stevia

Key words

water; time; liquor ratio; stevia; temperature; extract. Abstract

The stevia extract is used to make sweet drinks and to reduce its calorie. Fla-vonoids are important componentss of stevia, which have the stimulating, modulatory of immune system and antioxidant properties. The range of influence of flavonoids in the body is large: the control of the microcirculation in the tissues, the impact on the smooth muscle of blood vessels and internal organs, of the heart muscle and digestive tract. Flavonoids reinforce the capillaries, reduce the vascular fragility and protect against the accumulation of cholesterol, promote the resorption of formed plaques and blood clots, reduce the craving for alcohol and smoking. Flavonoids together with vitamin C, E, selenium involve in maintaining the normal function of antioxidant protection. Antioxidants protect the cellular structures against damage of free radicals, protect the body from disease. The main objective of this phase of the work is the choice of optimal parameters for producing an aqueous extract of stevia. As a raw material we used to obtain an extract of stevia leaves 'Ramonskaya sweet grown on the research areas of the Voronezh State Agricultural University named after Emperor Peter the Great. The work was carried out at Voronezh State University of Engineering Technology and the Voronezh branch of the Russian Economic University named after G. V. Plekhanov. The key factors affecting on the transition stevioside from leaves in a solution are the temperature, ratio of leaves and water, duration of the process. We obtained the following optimal parameters of the extraction process: temperature 85.90 ° C, was 1:1-9:10, duration of process was for 100-120 min. The yield of stevioside was 10.32% by weight of stevia. Information about the impact of factors is provided as a result of twenty experiments, the mathematical model of the process is obtaned that allows to calculate the specific energy consumption and the amount of diterpene glycosides within the selected intervals varying input parameters. a number of parallel experiments are used to verify the results. The results fell into the calculated confidence intervals for all quality criteria. The standard error did not exceed 3.2%. The extract was light brown with a greenish tinge, it has a medium sweetness and slight bitterness, with grassy, not very pronounced odor. The extract with these characteristics is designed for use in the food industry, particularly in the preparation of drinks for diabetics as a sweetener. The authors believe that the stevia extract can be used in the food industry to create products of a functional purpose, as it meets all modern requirements of the market becouse of health — the most valuable asset of a person that determines its performance in today's society and, therefore, the standard of living and well-being.

Authors

Agafonov Gennadiy Viacheslavovich, Doctor of Technical Science, Professor;

Chusova Alla Eugenievna, Candidate of Technical Science, Associate Professor;

Baimashova Natalia Sergeevna, Post-graduate Student

Voronezh State University of Engineering Technology,

19 Revolutsii Prospekt, Voronezh, 394000, Russia, [email protected]

Verzilina Natalia Dmitrievna, Candidate of Agricultural Science, Professor

Voronezh State Agricultural University named after Emperor Peter the Great,

1 Michurina St., Voronezh, 394087, Russia, [email protected]

Polanski Konstantin Konstantinovich, Doctor of Technical Science, Professor

Voronezh branch of the Russian Economic University

named after G. V. Plekhanov,

67a Karl Marx St., Voronezh, 394000, Russia, [email protected]

0

1 <

§

ш h

4 • 2015

ПИВО и НАПИТКИ 21