CC BY
667
УДК 633.8:66.061 Е.А. Струпан, В.С. Колодязная, О.А.Струпан
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРАКТОВ ИЗ ДИКОРАСТУЩЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ, ШИРОКО ПРИМЕНЯЕМОГО В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ФИТОТЕРАПИИ
В целях повышения эффективности экстрагирования биологически активных веществ (БАВ) и увеличения движущей силы этого процесса авторы приводят усовершенствованную технологию получения экстрактов из дикорастущего растительного сырья, широко применяемого в пищевой промышленности и фитотерапии.
Ключевые слова: экстрагирование, биологически активные вещества (БАВ), полифенольные соединения, фитотерапия.
E.A.Strupan, V.S.Kolodjaznaja, O.A.Strupan TECHNOLOGY OF EXTRACTS RECEPTION FROM WILD-GROWING VEGETATIVE RAW MATERIALS WIDELY APPLIED IN THE FOOD-PROCESSING INDUSTRY AND HERBAL THERAPY.
The authors of the article present the improved technology of extracts reception from wild-growing vegetative raw materials widely applied in the food-processing industry and herbal therapy in order to increase the efficiency of biologically active substances (BAS) extraction and to expand the motive power of this process.
Key words: extraction, biologically active substances (BAS), polyphenol compounds, herbal therapy.
Для получения экстрактов использовали свежее и высушенное на ИК-установке сырье. В качестве растворителей выбраны: вода, водно-этанольная смесь, позволяющие экстрагировать моно-, ди- и полимерные фенольные соединения, углеводы, органические кислоты, их соли и витамины. Основным процессом, применяемым при приготовлении экстрактов из дикорастущего сырья, является экстрагирование биологически активных веществ, содержащихся в нем. Этот процесс применительно к растительному материалу имеет специфические особенности, связанные прежде всего с предварительными технологическими операциями (подготовка сырья, измельчение, сушка, хранение и др.) и со стабильностью БАВ, которые могут осложнять регуляцию и оптимизацию технологических параметров экстрагирования. В определенной мере предварительная обработка, особенно сушка, может изменить некоторые свойства растительного сырья, включая и его химический состав; возможны процессы гидролиза и ферментации, которые чаще всего приводят к уменьшению первоначального биологического эффекта. Несмотря на это, получение экстрактов из растительного сырья широко применяется в пищевой промышленности и фитотерапии. В технологии экстрактов важное значение имеет скорость экстрагирования, определяемая движущей силой процесса (разница концентраций экстрагируемого вещества в жидкости, заполняющей поры сырья, и в основной массе растворителя, находящегося в контакте с поверхностью твердых частиц) и диффузионным сопротивлением на каждой стадии. Одним из факторов, ускоряющих экстрагирование, является измельчение сырья, так как при этом увеличивается поверхность раздела фаз (уменьшается внутреннее диффузионное сопротивление). Однако следует иметь в виду, что слой мелких частиц может стать наиболее плотным, что ухудшит контакт частиц с окружающей жидкостью. Это может привести к неравномерности процесса в отдельных зонах слоя частиц и ухудшить массообмен от частиц к жидкости, т.е. замедлить другую стадию процесса. Общая скорость при мелком дроблении сырья может уменьшиться. Кроме того, мелкие частицы затрудняют отделение жидкости от твердых частиц и требуют значительных энергетических затрат, что соответствующим образом влияет на эффективность процесса экстрагирования. Наряду с размером частиц сырья на скорость экстрагирования и полноту извлечения БАВ существенное влияние оказывает соотношение я расхода масс экстрагента Мэ и сырья Мс (гидромодуль)
Чем больше масса экстрагента к массе сырья, тем в меньшей мере повышается его концентрация при извлечении одного и того же количества экстрагируемого вещества. В связи с этим движущая сила на про-
тяжении процесса будет большей, и степень извлечения БАВ увеличивается. Однако при этом уменьшается концентрация полученного экстракта, что нежелательно, так как затрудняет и удорожает выделение БАВ в чистом или концентрированном виде. Кроме того, увеличение соотношения я при одной и той же производительности аппарата по сырью потребует увеличения размеров аппарата, ухудшатся гидродинамические условия экстрагирования, уменьшится коэффициент массоотдачи, скорость экстрагирования и степень извлечения БАВ. Следует иметь в виду, что в процессе экстрагирования соотношение расхода фаз и физические свойства взаимодействующих фаз могут изменяться, особенно для высушенного сырья, набухающего в процессе экстрагирования. При экстрагировании БАВ из дикорастущего сырья важное значение имеет также выбор температуры, основанный на некоторых закономерностях, связанных с массообменными процессами, химическим составом и структурой дикорастущего сырья, физико-химическими свойствами растений и БАВ, подлежащих экстрагированию. В современной практике экстракцию лекарственных или биологически активных веществ из растительного сырья проводят при умеренных температурах (20 ± 5оС) или повышенных (40...100оС). Механизм экстрагирования БАВ из дикорастущего сырья включает следующие основные стадии: проникновение экстракта в поры дикорастущего сырья; растворение БАВ в экстракте; перенос экстрагируемого вещества из глубины твердой частицы к поверхности раздела фаз; для свежего сырья - с помощью молекулярной диффузии; для высушенного сырья - с помощью массопроводности, так как механизм осложняется набуханием; перенос БАВ от поверхности раздела фаз в глубь экстракта с помощью конвективной диффузии (массоотдача).
Важной особенностью экстрагирования БАВ из свежего и высушенного дикорастущего сырья является то, что физические свойства его в значительной мере изменяются, и это оказывает существенное влияние на все стадии данного процесса. Перенос экстрагирующих веществ вследствие неоднородности поля концентраций (массообмен) может осуществляться двумя способами: молекулярной и конвективной диффузией. Два кинетических коэффициента - молекулярный коэффициент диффузии Д, м2/с, и коэффициент массоотдачи р характеризуют две различные стороны процесса экстрагирования. Коэффициент Д отражает только диффузионные свойства материала твердых частиц, зависящие исключительно от температуры и концентрации. Значения Д при одних и тех же температурах и концентрации будут одинаковы, независимо от того, где происходит процесс. Значения р зависят от размера частиц и конструктивных особенностей аппарата, которые обеспечивают соответствующую гидродинамическую обстановку при проведении процесса экстрагирования. На величину р влияет режим движения жидкости, физические, в том числе и диффузионные свойства жидкости, формы и размеры твердых частиц, а также конструктивные особенности аппарата, в котором протекает экстрагирование. Таким образом, эффективность БАВ из дикорастущего сырья зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются температура, степень измельчения сырья, выбор экстрагента, соотношение сырья и растворителя (гидромодуль) и продолжительность экстрагирования. В связи с изложенным, при обосновании технологических параметров экстрагирования БАВ, использовали метод планирования многофакторного эксперимента. В качестве функции отклика выбран выход фенольных соединений (у), выраженный в процентах по отношению к начальному содержанию их в сырье; в качестве варьируемых факторов: температура t (Х1), концентрация этилового спирта (Х2), продолжительность экстрагирования (хз), кодированные переменные Х1, Х2, Хз соответственно. Основные уровни и шаги варьирования факторов приведены в таблице 1
Таблица 1
Значения уровней факторов и шагов варьирования
Фактор Основной уровень хо * Шаг варьирования Дх,
1 2
х1, оС 50 40 10,0
х2,% 65 65 5,0
хз, ч 3 3 1,0
*1 - температура при экстрагировании фенольных соединений из корней; 2 - температура при экстрагировании фенольных соединений из надземной части ТО.
Предварительно проводили опыты по экстрагированию БАВ при постоянных значениях влияющих факторов Х1, Х2, Хз на основном уровне (табл. 2), варьировали значения гидромодуля, принимали я = 1:2; 1:3 и 1:5
- для свежего сырья; я = 1:3; 1:5 и 1:7 - для высушенного сырья. Для повышения эффективности экстрагиро-
вания БАВ и увеличения движущей силы этого процесса проводилась предварительная подготовка сырья, включающая измельчение корней в форме стружки толщиной 2-3 мм, длиной 40-60 мм, соцветий и листьев -до размера частиц 3-5 мм - и тепловую обработку корней. Бланшировали измельченные корни при температуре 60-65°С в течение 3 мин. При этом происходит, как известно, инактивация ферментов, денатурация белков протоплазмы, вследствие чего уменьшается диффузионное сопротивление моно- и полимолекулярных мембран и цитоплазмы, что способствует увеличению извлечения фенольных соединений из растительной ткани. Измельченные и бланшированные корни и нарезанную надземную часть сырья заливали раствором этилового спирта в экстракторе. Подготовленное сырье экстрагировали в лабораторном экстракторе непрерывного действия в противотоке. На рисунках 1-4 приведены концентрационные кривые противоточного процесса экстрагирования фенольных соединений из исследуемого дикорастущего сырья. Эффективность экстрагирования определяли по изменению содержания суммы фенольных соединений в сырье.
Рис. 1. Концентрационные кривые противоточного процесса экстрагирования фенольных соединений
из корней ЛБ
Получены следующие уравнения регрессии:
Я (1:2) у = -0,07х3 + 0,77х2 - 2,98х + 6,81 Р = 0,981;
Я (1:3) у = -0,08х3 + 0,92х2 - 3,61х + 6,82 Р = 0,991;
Я (1:5) у = -0,11х3 + 1,17х2 - 4,29х + 6,83 Р = 0,993.
q(1:2) q(1:3) q(1:5)
Тэ, Ч
б
Рис. 2. Концентрационные кривые противоточного процесса экстрагирования фенольных соединений
из корней ОЛ
Получены следующие уравнения регрессии:
q (1:2) у = - 0,07х3 + 0,77х2 - 2,63х + 5,76 R2 = G,993;
q (1:3) у = - 0,10х3 + 1,08х2 - 3,67х + 5,75 R2 = G,993;
q (1:5) у = - 0,14х3 + 1,42х2 - 4,49х + 5,71 R2 = G,9B6.
Рис. 3. Концентрационные кривые противоточного процесса экстрагирования фенольных соединений
из корней с корневищами КЛ
2G2
Получены следующие уравнения регрессии:
Я (1:2) у = -0,01х3 + 0,18х2 - 1,01х + 3,38 Р2 = 0,989;
Я (1:3) у = -0,03х3 + 0,35х2 - 1,48х + 3,38 Р2 = 0,979;
Я (1:5) у = -0,07х3 + 0,69х2 - 2,36х + 3,38 Р2 = 0,992.
4,8
Я (1:2) Я (1:3) Я(1:5)
Тэ, Ч
0
1
2
3
4
5
6
Рис. 4. Концентрационные кривые противоточного процесса экстрагирования фенольных соединений
из надземной части ТО
Получены следующие уравнения регрессии для исследуемых значений я:
Я (1:2) у = -0,06х3 + 0,68х2 - 2,56х + 4,46 Р2 = 0,995;
Я (1:3) у = -0,09х3 + 0,98х2 - 3,31х + 4,46 Р2 = 0,995;
Я (1:5) у = -0,14х3 + 1,42х2 - 4,24х + 4,39 Р2 = 0,978.
Как следует из рисунков 1-4, максимальное снижение содержания фенольных соединений в исследуемом сырье достигается при значениях я = 1:5, экстрагируемость фенольных соединений из высушенного сырья при значениях я = 1:2 менее 20%. Максимальная экстракция БАВ из высушенного сырья характерна для я =1:7. При оптимизации технологических параметров экстрагирования БАВ из свежего и высушенного сырья симплексным методом в начальной серии опытов приняты постоянными значения я = 1:3 - для свежего сырья и я =1:5 - для высушенного сырья. Матрицу исходной серии опытов (табл. 2) - условия проведения первых четырех опытов рассчитывали по формуле
х— х^ + Дх1Х1 ,
где ^=^=^*3=^;
Таблица 2
Матрица опытов исходного симплекса
Номер опыта XI Х2 Х3 Х4
1 К1 К2 К3 К4
2 -Р1 К2 К3 К4
3 0 -Р2 К3 К4
4 0 0 -Р3 К4
5 0 0 0 -Р4
Значения кодированных переменных, входящих в таблице 2. для каждого опыта рассчитывали по формулам:
к - 1 -
1 ад+ц'
Я1=^1и
где I - номер факторов в матрице планирования.
Таблица 3
Условия начальной серии опытов в кодированных переменных
Номер опыта Хі Х2 Хз Х4
1 0,5 0,289 0,204 0,158
2 -0,5 0,289 0,204 0,158
3 0 -0,578 0,204 0,158
4 0 0 -0,612 0,158
5 0 0 0 -0,632
В таблице 4 приведены технологические параметры процесса экстрагирования и содержание фенольных соединений, выраженное в процентах по отношению к их количеству в исходном сырье (у, %).
Таблица 4
Технологические параметры экстракции и выход фенольных соединений
Номер Х1,0С Х2,% Х3, ч у,%
опыта 1 2 1 2
1 55 45 66,5 3,2 69,4 68,3
2 45 35 66,5 3,2 62,6 62,8
3 50 40 62,5 3,2 65,0 67,0
4 50 40 65,0 2,4 62,7 64,9
5 50 40 69,0 2,4 70,8 71,8
6 50 40 69,0 2,9 72,0 72,0
Сравнивая между собой результаты первых четырех опытов, видим, что самый низкий выход фенольных соединений получился в 3-м опыте. Этот опыт исключим из дальнейшего рассмотрения. Заменим его опытом № 5, условия проведения которого рассчитаем по формуле
** = £( ]=1х]д\~х1>
где х* - значение факторов, при которых выход фенольных соединений минимальный.
В первом симплексе, образованном опытами № 1,2,4,5, самым неудачным является опыт № 4, его заменим опытом № 6. Дальнейшие исследования показали, что увеличения выхода фенольных соединений не происходит. Симплексным методом оптимизированы технологические параметры экстракции, обеспечивающие максимальный выход фенольных соединений около (70±2%) при температуре 50-550С (корни) и 40-45оС (надземная часть), концентрации этилового спирта 70%, продолжительность экстрагирования 2,0 -4,0 ч, при гидромодуле 1:3 и измельчении корней и корневищ растений до размера стружки толщиной частиц 2-3 мм, соцветиев и листьев до размера пластин 3-5 мм. Водные экстракты получены при этих же технологических параметрах экстрагирования; выход фенольных соединений составил 66,4%. На основании полученных данных разработана технологическая схема производства экстрактов из корней и корневищ исследуемых растений, включающая входной контроль, мойку, чистку, резку на частицы размером 2-3 мм, приготовление водно-этанольной смеси (70%-й раствор этилового спирта), экстрагирование при гидромодуле 1:3 для корней и корневищ и 1:5 для надземной части ТО и затем фильтрование экстракта (рис. 5).
При ем сырья
Инспекция
Промывание ►|холодной водой, t = 12-150С
Хранение Экстрагирова-
t=(20±50С), <- <■ <■ 4- ние: т =2-4ч,
w = =(70±5%) Упаковывание Фасование Взвешивание t^O^)^
т = 6мес гидромодуль 1:3
Рис. 5. Технологическая схема производства экстрактов из дикорастущего сырья
Экстракты представляют собой жидкость зеленого (ТО), вишневого (КЛ), светло-коричневого (ЛБ), светло-желтого цвета (ОЛ). По результатам органолептической оценки установлено, что экстракты сохраняют присущие им вкусо-ароматические свойства в процессе хранения в герметичной светонепроницаемой упаковке при температуре 20±5°С в течение 6 мес.
С целью более детального и глубокого изучения отдельных классов и индивидуальных веществ моно-, ди- и полимерных фенольных соединений последние экстрагировали не только водой и водно-этанольной смесью, но и полярными и неполярными растворителями. На рисунках 1-4 показана зависимость экстрагирования фенольных соединений диэтиловым эфиром, этилацетатом и изопропиловым спиртом.
Литература
1. Frankel E.N. Antioxidants in lipid foods and their impact on food quality // Foot Chem. - 1996. - 57, № 1. -Р. 51-55.
2. Comparison of large-bowel function and calcium balance during soft wheat bran and oat bran consumption / K.B. Hosig [et al.] // Cereal Chem.- 1996.- 73, № 3. - P. 392-398.
3. Шматков Д.А., Беляков К.В., Попов Д.М.Определение инулина в корнях лопуха большого // Фармация.
- 1998. - № 6. - С. 3-7.
4. Шаззо Р.И., Касьянов Г.И. Технология СО2-обработки сырья растительного и животного происхождения // Хранение и переработка сельхозпродукции. - 1999. - № 3. - С.10-13.
5. Шаззо Р.И., Ильина И.А., Овчарова Г.П.Общая концепция и приоритеты научного обеспечения создания продуктов функционального назначения // Наука Кубани. - 1999. - №5. - С.17-21.
6. Шевелева С.А. Пробиотики. Пребиотики и пробиотические продукты. Современное состояние вопроса // Вопросы питания. - 1999. - № 2. - С. 32-39.
---------♦'----------
