CC BY
18
УДК 663.481 DOI: 10.24411/0235-2486-2020-10075
Влияние физико-химических методов обработки растительного сырья на извлечение фенольных соединений
М.В. Гернет, д-р техн. наук, профессор; И.Н. Грибкова*, канд. техн. наук
ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Москва
Дата поступления в редакцию 20.05.2020 * institut-beer@mail.ru
Дата принятия в печать 03.07.2020 © Гернет М.В., Грибкова И.Н., 2020
Реферат
Современный пивоваренный рынок производит тысячи тонн отходов, которые утилизируются и тем самым наносят вред экологии. На самом деле, как показали исследования, солодовая дробина - это отход пивоваренного производства, содержащий в себе множество полезных соединений, извлечение которых требует глубокой переработки с помощью физико-химических методов. Исследованные на настоящий момент методики многочисленны и используют в своей основе принципы физического воздействия (ультразвук, микроволны и пр.), химические реагенты различной природы (кислоты, щелочи, полярные растворители), а также возможно применение биокатализаторов. Исследование направлено на получение безопасных экстрактов полифенольных веществ в технологии напитков брожения комплексным методом, включающим применение электроактивированной воды и биокатализатора. Для решения поставленной цели было решено впервые применить католит с рН 9,6 и цитолитический ферментный препарат. Анализ по содержанию полифенольных веществ в экстракте из дробины при ее обработке только католитом показал, что увеличение их содержания наблюдается через 8-10 ч выдержки с католитом и достигает максимума через 30 ч от начала эксперимента, содержание антоцианогенов при этом увеличивается в 2 раза через 26-30 ч от начала выдержки дробины в католите. Совместное применение электрохимически активированной воды и цитолитического биокатализатора позволило получить на 35 % больше полифенолов и в 6,5 раза больше антоцианогенов при продолжительности выдержки с католитом в течение 2 ч и продолжительности биокатализа в течение 4 ч, по сравнению с контролем. Более продолжительное время комплексной переработки способствовало разрушению полифенольных соединений.
Ключевые слова
антоцианогены, биокатализ, солодовая дробина, состав дробины, фенольные соединения, физико-химические способы обработки. Для цитирования
Гернет М.В., Грибкова И.Н. (2020) Влияние физико-химических методов обработки растительного сырья на извлечение фенольных соединений // Пищевая промышленность. 2020. № 7. С. 44-47.
The influence of processing plant materials physico-chemical methods on the phenolic compounds extraction
M.V. Gernet, Doctor of Technical Sciences, Professor; I.N. Gribkova*, Candidate of Technical Sciences
All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industry - Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of RAS, Moscow
Received: May 20, 2020 * institut-beer@mail.ru
Accepted: July 3, 2020 © Gernet M.V., Gribkova I.N., 2020
Abstract
The modern brewing market produces thousands of waste tons, which is disposed of and thus harmful to the environment. In fact, research has shown that brewer's spent grain, which is a waste of brewing production, contains many useful compounds, the extraction of which requires deep processing using physical and chemical methods. The methods currently studied are numerous and use the principles of physical influence (ultrasound, microwaves, etc.), chemical reagents of various nature (acids, alkalis, polar solvents), and it is also possible to use biocatalysts. The research is aimed at obtaining safe extracts of polyphenolic substances in the technology of fermentation beverages by a complex method, including the use of electro-activated water and biocatalyst principles. To achieve this goal, it was decided to use katalite with a pH of 9.6 and a cytolytic enzyme preparation for the first time. Analysis on the polyphenolic substances content in the brewer's spent grain extract during only katalite using showed that their increase is observed after 8-10 h exposure with katalite and reaches a maximum after 30 h from the experiment start, the anthocianogenes content this increases to 2 times in 26-30 hours from the start of brewer's spent grain exposure in katalyte at the same time. The electro-chemically activated water and a cytolytic enzyme combined use allowed obtain 35 % more polyphenols and 6.5 times more anthocyanogens for the exposure duration with the katalite during 2 hours and the enzyme during 4 hours, compared to the control. A longer complex processing time determined the polyphenolic compounds destruction.
Key words
anthocyanogens, biocatalysis, brewer spent grain, brewer spent grain composition, phenolic compounds, physico-chemical processing methods
For citation
GernetM.V., Gribkova I.N. (2020) The influence of processing plant materials physico-chemical methods on the phenolic compounds extraction // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No. 7. P. 44-47.
Введение. Известно, что солодовая дробина служит источником различных полезных соединений, присутствующих как в связной, так и в свободной форме [1, 2].
После фильтрации солодовая дробина содержит в своем составе преимущественно нерастворимые сложные вещества, такие как целлюлоза, лигнин, арабино-ксиланы, белковые соединения, липиды, остатки крахмала, небольшое количество аминокислот, полифенольные соединения [3]. Однако, для извлечения различных групп веществ необходимо применение принципов гидролиза для ослабления и разрыва связей, способствующих их удерживанию в матрице дробины.
известно, что применение того или иного приема обработки дробины направлено на извлечение конкретного вида соединения. Так, обработка солодовой дробины сильными неорганическими кислотами (например, серной) приводит к 90 % гидролизу арабиноксилана с образованием низкомолекулярных сахаров и ряда побочных продуктов (фурфурола, гидроксиметилфурфурола и пр.) [4]. Применение щелочной обработки дробины способствует высвобождению лигнино-подобных веществ, а также ферулловой и кумаровой кислот [5]. Помимо этого, щелочным гидролизом могут быть экстрагированы ценные белковые соединения (нерастворимые гордеины и глютелины) совместно с жироподобными соединениями [6].
Применение органических полярных растворителей или суперкритической СО2 экстракции позволяет извлечь вещества полифенольной природы [7, 8].
существует группа физических методов обработки дробины с различными целями - это ультразвуковая, микроволновая, электрохимическая обработка [9-11].
Так, известно применение электрохимически активированной воды с целью стерилизации пивной дробины [12]. Суть процесса состоит в том, что воду посредством электролиза насыщают в зависимости от заряда электрода либо атомами водорода на катоде - католит, либо атомами кислорода - анолит [11]. Таким образом, электрохимически активированная вода обладает биологической активностью и принципиально различным воздействием на организм человека [13].
В последнее время изучено большое количество способов переработки солодовой дробины с целью извлечения различных полезных соединений, но не все используют принципы, способствующие дальнейшему использованию полученных экстрактов в пищевой технологии, либо их получение слишком дорого вследствие фактора многостадийности.
Целью данной работы стала разработка безопасного и эффективного способа извлечения полифенольных соединений
из отхода пивоваренного производства - солодовой дробины - для применения полученного экстракта в технологии функциональных напитков.
Объекты и методы исследования.
Объект исследования - влажная солодовая дробина, полученная при настойном способе производства пивоваренного сусла из светлого солода. После дополнительного промывания водой от остатков редуцирующих веществ, дробина была обсушена фильтровальной бумагой, разложена в полиэтиленовые крафт-пакеты и хранилась при температуре -10 °С в морозильной камере. На серию экспериментов использовали одну партию солодовой дробины с влажностью 65±1%.
Производство электрохимически активированной воды осуществляли на установке СТЭЛ-20 с производительностью 20 дм3 воды в час.
Для решения целей исследования применяли физико-химический методы анализа: определение содержания влаги -по методу [14]; определение общего количества полифенолов - по методу [15]; определение содержания антоцианогенов -по методу [16]. Эксперименты проводили в трех повторностях для получения лучшей сходимости результатов испытаний.
Результаты и их обсуждение. С целью оптимального извлечения фенольных соединений из дробины, исследовали несколько способов: физический - применение электрохимически активированной
воды (католит) и физико-химический -совместное применение обработки като-лита и биокатализ на 2-й стадии с последующей экстракцией полярным экстраген-том. Условия проведения эксперимента представлены в табл. 1.
При проведении экспериментов в 1-й серии опытов сочетали 1 и 3 стадию обработки, во 2-й - сочетали все стадии обработки.
в проводимых экспериментах по экстракции различных групп полифенолов контролировали как общее содержание полифенолов, включающее соединения с различной молекулярной массой, от высокомолекулярных (катехины) до фенольных кислот (например, феруловой, кумаровой и пр.), так и антоцианогенов (предположительно проантоцианидинов и продельфинидинов), определяемых в экстрактах из дробины [17, 18]. Данные представлены в табл. 2 и на рис. 1.
Католит способствует высвобождению различных связанных полифенольных веществ дробины. Так, заметное увеличение содержания общих полифенолов наблюдается через 8-10 ч восстанавливающего действия католита и достигает максимума через 30 ч выдержки с активированной водой от начала эксперимента. Необходимо отметить, что содержание антоциа-ногенов не изменяется в течение первых 4-10 ч выдержки с активированной водой. Заметное увеличение концентрации антоцианогенов (в 2 раза) наблюдается через 26-30 ч от начала выдержки дробины в католите.
Таблица 1
Условия проведения эксперимента по обработке дробины
Стадия обработки
Параметр 1 2 3
Предварительная Основная -биокатализ Завершающая -экстракция
Экстрагент Каталит (рН=9,6) Цитолитический ферментный препарат 70%-ный раствор этанола
Продолжительность, ч 2; 4; 24 2; 4; 6 2
Гидромодуль 1:2
Температура, °С 50±2
Таблица 2
Содержание полифенолов в образцах, полученных при обработке дробины
католитом
Время выдержки, ч Содержание
1-я стадия 2-я+3-я стадия, без биокатализатора Полифенолов, % Антоцианогенов, x102, мг/дм3
4 0,281 0,175
2 6 8 0,281 0,313 0,175 0,175
4 0,281 0,175
4 6 8 0,313 0,317 0,175 0,175
4 0,406 0,394
24 6 8 0,438 0,438 0,394 0,394
Таблица 3
Содержание полифенолов в образцах, полученных при обработке дробины католитом и биокатализатором
Время выдержки, ч Содержание
1-я стадия 2-я стадия 3-я стадия Полифенолов, % Антоцианогенов, x102, мг/дм3
2 0,331 0,175
2 4 0,375 1,160
6 0,375 1,160
2 0,313 0,610
4 4 2 0,331 0,833
6 0,331 0,833
2 0,450 0,610
24 4 0,425 0,394
6 0,425 0,394
0,5 -|
Без ФП
2 ч с ФП 4 ч с ФП
Продолжительность биокатализа, ч 2 ч с католитом 4 ч с католитом 24 ч с католитом
6 ч с ФП
Рис. 2. Количество полифенолов, содержащееся в экстрактах дробины, полученных с католитом и биокатализатором (ферментным препаратом - ФП)
1,2 -| 1 -3 0,8£ 0,65 0,4" 2 0,20 -
д
о
и
Е2
......................................
2 ч с ФП 4 ч с ФП 6 ч с ФП
Без ФП 2 ч с ФП 4 ч с ФП
Продолжительность биокатализа, ч
2 ч с католитом 4 ч с католитом 24 ч с католитом
Рис. 3. Количество полифенолов, содержащееся в экстрактах дробины, полученных с католитом и биокатализатором (ферментным препаратом - ФП)
Рост содержания полифенолов при воздействии католита объясняется его природой. Католит обладает отрицательным зарядом окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) за счет накопления ионов Н+ [11]. Таким образом, католит поддерживает реакцию восстановления в среде. Присутствующие в дробине высокомолекулярные соединения, например, лигнин, с которым связаны этерифициро-ванные группы полифенолов, взаимодействуют с ионами активированной воды с разрывом карбонильных и эфирных связей в данных условиях [19]. Таким образом, происходит высвобождение связанных полифенолов, что и показано в табл. 2 и на рис. 1.
На втором этапе исследования изучали совместное влияние электрохимически активированной воды и цитолитического биокатализатора, заданного в одной и той же концентрации, на извлечение полифенолов, данные представлены в табл. 3.
На рис. 2 представлено содержание полифенолов в образцах экстрактов из дробины при различной продолжительности выдержки с католитом и длительности биокатализа.
На рис. 3 представлено содержание антоцианогенов в образцах экстрактов из дробины при различной продолжительности выдержки с католитом и длительности биокатализа.
Можно отметить, что увеличение содержания полифенолов в экстрактах наблюдали практически во всех случаях, кроме выдержки с католитом 24 ч и временем гидролиза 4 и 6 ч. Это можно объяснить лабильностью полифенолов, то есть их дальнейшими превращениями в условиях отрицательного ОВП католита.
Оптимальными условиями для экстракции полифенолов из растительной матрицы солодовой дробины наблюдали при продолжительности выдержки с католитом в течение 2 ч и продолжительности биокатализа в течение 4 ч, по сравнению с контролем содержание общих полифенолов увеличилось на 35%.
По полученным данным (см. таблицу 3 и рисунок 3) можно отметить, что содержание антоцианогенов эффективнее накапливается при 2 ч выдержки с католитом и при продолжительности биокатализа 4 ч, по сравнению с контролем концентрация антоцианогенов в 6,5 раза выше. Увеличение длительности выдержки как с католитом, так и и в присутствии биокатализатора оказалось неэффективным. Возможно, это также связано с лабильностью антоцианогенов, которые преобразуются в ходе химических превращений.
Заключение. Переработка солодовой дробины как объекта, относящегося к вторичным отходам пивоваренного производства, представляется актуальной, поскольку позволяет из продукта с низ-
кой себестоимостью извлечь с помощью принципов глубокой переработки связанные полезные соединения, которые могут найти применение в технологии напитков брожения с разными целями. В ходе исследования с целью разработки безопасного и эффективного способа извлечения полифенольных соединений из солодовой дробины удалось подобрать условия ком-
плексной физико-химической обработки, позволившие перевести в экстракт на 35% больше полифенолов и, в частности, в 6,5 раза больше извлечь антоцианогенов по сравнению с контролем. Проведенные исследования доказали эффективность применения электрохимически активированной воды, в частности католита, на 1-м этапе извлечения полифенольных веществ
из дробины, однако была показана их высокая лабильность, что не позволило извлечь максимальное количество полифе-нольных соединений. Исследования в этой области будут продолжены.
ЛИТЕРАТУРА
1. Журлова, Е.Д. Фитокомпоненты зернового сырья: строение, свойства, примене-ние/Е.Д. Журлова, Л.В. Капельянц // Нутри-циология, диетология, проблемы питания. -2013. - № 4. - C. 3-7.
2. Костюк, В.А. Растительные поли-фенольные соединения как компоненты функционального питания // Труды БГУ. -2016. - Т. 11. - № 1. - C. 32-41.
3. Niemi P. Enzymatic fractionation of brewer's spent grain and bioconversion of Lignin-rich fractions in a colon model in vitro./P. Niemi: Doctor of Technical Sciences dissertation. - Helsinki, 2016. - 125 p.
4. Calvarheiro, F. Optimization of brewer's spent grain's dilute acid hydrolysis for the production of pentose-rich cuLter media/ F. Calvarheiro, R.C. Duarte, R. Mederos // Applied Biochemistry and Biotechnology. - 2004. - Vol. 115. -P. 1059-1072.
5. Mussatto, S.I. FeruLic and coumaric acids extraction by alkaline hydrolysis of brewer's spant grain's/S.I. Mussatto, G. Dragon, I.G. Roberto // Industrial Crops and Products. - 2007. - Vol. 25. -P. 231-237.
6. Celus, T. Enzymatic hydrolysis of brewer's spent grain proteins and techno functional properties of the resulting hydroLysates/T. CeLus, K. Bridjs, J.A. DeLcour // Journal of AgricuLturaL and Food Chemistry. -2007. - VoL. 55. - P. 8703-8710.
7. Kitryte, V. Assessment of antioxidant capacity of brewer's spant grain and its supercriticaL carbon dioxide extracts as sources of vaLuabLe dietary ingredients/ V. Kitryte, A. Saduikis, R.P. Venscutonis // JournaL of Food Engineering. - 2015. - VoL. 167. - P. 18-24.
8. Mense, N.G. T. Influence of extraction soLvents on the recovery of antioxidant phenoLic compounds from brewer's spent grain/N.G. T. Mense, S. Martins, J.A. Teixera // Separation and Purification TechnoLogy. - 2013. - VoL. 108. - P. 152-158.
9. Reis, S.F. Improved efficiency of brewer's spent grain arabinoxyLans by uLtrasound-assisted extraction/S.F. Reis, E. CoeLho, M.A. Coimbra // ULtrasonics Sonochemistry. - 2015. -VoL. 24. - P. 155-164.
10. Macheiner, D. Pretreatment and hydroLysis of BSG/D. Macheiner, B.F. Adamitsch, F. Karrer // Engineering in Life Sciences. - 2003. - VoL. 3. -P. 401-405.
11. Аристова, Н. А. Физико-химические методы получения экологически чистой активированной питьевой воды/ Н.А. Аристова, И. М. Пискарев. - Нижний Тагил: Министерство образования и науки РФ;
ФГАОУ ВПО «УрФУ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2011. - 76 с.
12. Цаголов, З.Е. Разработка технологии биологически активной добавки из пивной дробины для интенсификации процессов брожения:
автореф. дис____канд. техн. наук: 05:18:07/Ца-
голов Заур Ермакович. - Воронеж: Воронеж. гос. ун-т инжен. технологий, 2014. - 22 с.
13. Батмангхелидж, Ф. Вода для здоровья -Минск: Попурри, 2005. - 288 с.
14. ГОСТ 13586.5-2015. Зерно. Метод определения влажности. - Введ. 2016-07-01. -М.: Стандартинформ, 2019. - 10 с.
15. ГОСТ Р 55488-2013. Прополис. Метод определения полифенолов. - Введ. 2015-01-01. -М.: Стандартинформ, 2014. - 12 с.
16. Меледина, Т.В. Сырье и вспомогательные материалы в пивоварении/Т.В. Меледина. - СПб.: Профессия, 2003. - 304 с.
17. Dukles, L. PhenoLic compounds in cereaL grains and their heaLf benefits/ L. DukLes, L.W. Rooney // CereaL foods worLd. - 2007. -VoL. 52 (3). - P. 105-111.
18. Idehen, E. Bioactive phytochemicaLs in barLey/E. Idehen, Y. Tang, S. Sang // JournaL of food and drug anaLysis. - 2017. - VoL. 25. - P. 148-161.
19. Евстигнеев, Е.И. Электрохимические реакции лигнина // Химия растительного сырья. -2014. - № 3. - C. 5-42.
REFERENCES
1. ZhurLova ED. Fitokompanenti zernovogo sirja: stroenie, svoistva, primenenie [The grain raw materiaL phytocomponents: structure, properties, appLication]. Nutriciologija, dietologija, problem pitanija [The nutrition science, dietetics, nutrition]. 2013. No 4. P. 3-7. (In Russ.).
2. Kostuk VA. RastiteL'nie poLifenoL'nie soedinenija kak komponenti funkcionaL'nogo pitanija [PLant poLyphenoLic compounds as components of functionaL nutrition]. Trudi BGU [Proceedings of the BeLarusian state University]. 2016. VoL. 11. No. 1. P. 32-41. (In Russ.).
3. Niemi P. Enzymatic fractionation of brewer's spent grain and bioconversion of Lignin-rich fractions in a coLon modeL in vitro. Doctor of TechnicaL Sciences dissertation. HeLsinki, 2016. 125 p.
4. CaLvarheiro F, Duarte RC, Mederos R. Optimization of brewer's spent grain's diLute acid hydroLysis for the production of pentose-rich cuLter media. AppLied Biochemistry and BiotechnoLogy. 2004. VoL. 115. P. 1059-1072. (In Eng.).
5. Mussatto SI, Dragon G, Roberto IG. FeruLic and coumaric acids extraction by aLkaLine hydroLysis of brewer's spant grain's. Industrial Crops and Products. 2007. VoL. 25. P. 231-237 (In Eng.).
6. CeLus T, Bridjs K, DeLcour JA. Enzymatic hydroLysis of brewer's spent grain proteins and techno functionaL properties of the resuLting hydroLysates. Journal of Agricultural and
Food Chemistry. 2007. Vol. 55. P. 8703-8710 (In Eng.).
7. Kitryte V, Saduikis A, Venscutonis RP. Assessment of antioxidant capacity of brewer's spant grain and its supercritical carbon dioxide extracts as sources of valuable dietary ingredients. Journal of Food Engineering. 2015. Vol. 167. P. 18-24 (In Eng.).
8. Mense NGT, Martins S, Teixera JA. Influence of extraction solvents on the recovery of antioxidant phenolic compounds from brewer's spent grain. Sep. Separation and Purification Technology. 2013. Vol. 108. P. 152-158 (In Eng.).
9. Reis SF, Coelho E, Coimbra MA. Improved efficiency of brewer's spent grain arabinoxylans by ultrasound-assisted extraction. Ultrasonics Sonochemistry. 2015. Vol. 24. P. 155-164 (In Eng.).
10. Macheiner D, Adamitsch BF, Karrer F. Pretreatment and hydrolysis of BSG. Engineering in Life Sciences. 2003. Vol. 3. P. 401-405 (In Eng.).
11. Aristova NA, Piskarev IM. Fiziko-homicheskie metodi poluchenija ekologicheski chistoj aktivirivanoi pifevoj void [Physical and chemical methods for obtaining environmentally friendly activated drinking water]. Nizhni Tagil: Ministerstvo obrazovanija I nauki RF; FGAOU VP0 «UrFu im. Pervogo Prezidenta Rosii B.N. Ek'cina», 2011. 76 p. (In Russ.).
12. Tsagolov ZE. Razrabotka tehnologii biologicheski aktivnoj dobavki iz pivnoj drobini dlja intensifikacii procesov brozhenija [Biologically active additives from brewer's spent grain technology development for the fermentation processes intensification]. Abstract of candidate's thesis. Voronezh: Voronezh state University of engineering technologies, 2014. - 22 p. (In Russ.).
13. Batmanghelidzh F. Voda dlja zdorovja [Water for helth]. Minsk: Popuri, 2006. 288 p. (In Russ.).
14. GOST 13586.5-2015. Zerno. Metod opredelenija vlazhnosti [State Standard 13586.5-2015. Grain. Method for determining humidity]. Moscow: Standartinform; 2019. 10 p
15. GOST R 55488-2013. Propolis. Metod opredelenija polifenolov [State Standard 55488-2013. Propolis. Method for the determination of polyphenols]. Moscow: Standartinform, 2014. - 12 p.
16. Meledina TV. Sirje I vspomogatelnie materiali v pivovarenii [Raw materials and auxiliary materials in brewing]. Saint Petersburg: Professia, 2003. 304 p. (In Russ.).
17. Dukles L, Rooney LW. Phenolic compounds in cereal grains and their healf benefits. Cereal Foods World. 2007. Vol. 52 (3). P. 105-111 (In Eng.).
18. Idehen E, Tang Y, Sang S. Bioactive phytochemicals in barley. Journal of food and drug analysis. 2017. Vol. 25. P. 148-161 (In Eng.).
19. Evstigneev EI. Elektrohimicheskie reakcii lignin [Electrochemical reactions of lignin's]. Hinija rastitel'nogo sirja [Chemistry of plant raw materials]. 2014. No. 3. P. 5-42 (In Russ.).
Авторы
Гернет Марина Васильевна, д-р техн. наук, профессор, Грибкова Ирина Николаевна, канд. техн. наук
Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 119021, г. Москва, ул. Россолимо, д. 7, institut-beer@mai1.ru
Authors
Marina V. Gernet, Doctor of Technical Sciences, Professor, Irina N. Gribkova, Candidate of Technical Sciences
All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industry - Branch of Gorbatov Research Center for Food Systems of RAS 7, Rossolimo str., Moscow, Russia, 119021, institut-beer@mai1.ru
