Анализ и оптимизация технологического процесса извлечения фенольных соединений из выжимок ягод дикоросов

При производстве ягодных и плодовых соков образуется большое количество вторичных ресурсов, которые в настоящее время играют значительную роль в решении продовольственных и экологических проблем. В большинстве случаев отходы соковых производств используют на корм скоту, превращают в компост или просто утилизируют. С учетом промышленных масштабов переработки ягод, а также содержания в их выжимках ценных биологически активных и пектиновых веществ использование ягодных отходов является актуальной задачей.

Использование экстрактов из выжимок ягод дикоросов позволит расширить область их применения в пищевой промышленности, а не только в засушенном и измельченном виде. Технология экстракции должна позволять максимально полно использовать весь комплекс биологически активных веществ, содержащихся в исходном растительном сырье. На выход вещества при экстрагировании оказывает влияние множество факторов: строение растительного материала, измельчение сырья, природа экстрагента, соотношение массы сырья и объема экстрагента, режим экстрагирования (время, температура, использование физических методов воздействия, таких как токи высокой частоты и др.), используемая аппаратура. Все перечисленные выше факторы влияют не только на качество извлечения биологически активный веществ (БАВ), но и на скорость экстракции. Правильный выбор режима экстрагирования позволяет получить экстракт с высокими биологоческими и органолептическими свойствами.

Объектами исследования явились выжимки, остающиеся после получения соков из ягод брусники и клюквы, произрастающих на территории Республики Бурятия.

Цель работы ‒ оптимизация технологических режимов экстрагирования фенольных соединений из выжимок ягод брусники и клюквы.

Экспериментальная часть

Предварительно ягодные выжимки высушивали при температуре 35-40 °С в сушильном шкафу с инфракрасным излучением в течение 40 мин. Навеску высушенных ягодных выжимок измельчали в фарфоровой ступке до размера частиц 1-2 мм.

Для разработки технологии получения экстрактов было исследовано влияние изменения технологических параметров на эффективность извлечения БАВ с применением воздействия СВЧ-излучения мощностью 2450 МГц. Способ интенсификации экстрагирования применением СВЧ-поля позволяет сократить в 10-15 раз продолжительность процесса и удельные энергозатраты более чем на 20 % по сравнению с традиционными методами экстракции [1].

В данном случае основными факторами, влияющими на процесс экстракции, являются:

‒ содержание этанола в водно-спиртовом экстрагенте;

‒ гидромодуль (соотношение массы сырья к растворителю);

‒ продолжительность экстракции.

Эффективность извлечения БАВ контролировали по содержанию фенольных веществ в экстракте спектрофотометрическим методом с использованием реактива Фолина-Чиокальтеу в пересчете на кофейную кислоту [2]. Содержание фенольных соединений является важнейшим показателем биологической ценности растительного сырья, определяющим его антиоксидантную активность [3].

Для оптимизации экстрагирования применяли факторные эксперименты с использованием математических методов.

Результаты трехфакторного эксперимента

На основе запланированных уровней (табл. 1) была составлена матрица трехфакторного эксперимента на пяти уровнях, по которой было проведено 25 опытов. Структура матрицы заключалась в том, что при проведении всех экспериментов каждый уровень любого фактора встречается один раз с каждым уровнем всех остальных факторов.

Таблица 1

Уровни изучаемых факторов

Фактор	Уровень
	1	2	3	4	5
Х1, Содержание этанола, %	40	50	60	70	80
Х2, Продолжительность, с	15	30	60	90	120
Х3, Гидромодуль	1:10	1:20	1:30	1:40	1:50

Кодирование натуральных значений

Для построения качественной регрессионной модели зависимости необходимо было независимые переменные преобразовать (кодировать), т.е. перейти к единой шкале. Кодирование факторов – это выбор соответствующего масштаба и точки начала отсчета по осям факторов. При этом масштаб выбирался таким, чтобы верхний (наибольший) уровень фактора соответствовал +1, а нижний (минимальный) соответствовал -1. Все остальные уровни располагались между этими крайними значениями.

Кодирование осуществлялось по формуле:

где

где

x j

X _j ‒ натуральное значение фактора;

_ jj

Ij

X j0 ‒ натуральное значение основного уровня: minmax

jj

X»_

I _j ‒ интервал варьирования фактора; min      max

Т _ jj j ₂

,

,

где

min                                                           max

X ‒ натуральное значение нижнего уровня; X ‒ натуральное значение верхнего уровня; j ‒ номер фактора.

Результаты регрессионного анализа функции отклика Y = f (x1,x2,x3)

Для получения уравнения функции отклика использовался полином второго порядка. В развернутом виде эта формула будет выглядеть так:

Y _ ax + a2x2 + a3x3 + a4x1x2 + a5xxx3 + a6x2x3 + a7x2 + a%x2 + a9x32, где ai ‒ параметры уравнения.

Коэффициенты уравнения определены с помощью профессиональной программы обработки данных Statistica 10:

Уравнение регрессии, характеризующее экстракцию фенольных соединений из выжимок клюквы в СВЧ-поле:

Y _ 17,52 - 2,07x +10,27x2 +1,85x3 -1,34xx - 0,47xx + 0,94x2x3 +

-0,04 x2 + 0,51 x22 +1,21 x32.

Уравнение регрессии, характеризующее экстракцию фенольных соединений из выжимок брусники в СВЧ-поле:

Y _ 23,06 - 2,1 x + 10,28 x ₂ + 2,86 x ₃ - 1,9 xx + 1,58 xx + 2,56 x₂x ₃ +

• - 1,89 x ² - 0,66 x ₂ ² - 1,74 x ₃².

Оценка качества уравнений регрессии представлена в таблице 2.

Таблица 2

Показатели качества уравнения регрессии	Показатели для экстракта из выжимки клюквы	Показатели для экстракта из выжимки клюквы
Индекс множественной корреляции (теснота совместного влияния факторов на результат, от 0 до 1)	R = 0,98; вывод: сильная связь	R = 0,97; вывод: сильная связь
Коэффициент детерминации (точность подбора уравнения регрессии, от 0 до 1)	R2 = 0,97 (97%); вывод: высокая точность	R2 = 0,94 (94%); вывод: высокая точность
Критерий Фишера (надежность уравнения регрессии или значимость R2)	F=53,5; p<0,001; вывод: статистически надежно	F=25,55; p<0,001; вывод: статистически надежно

Рис.1. Сравнение наблюдаемых и предсказанных значений Y (содержание фенольных соединений, мг/мл)

Результаты решения экстремальной задачи

Для нахождения максимального значения функции отклика и соответствующие ему значения факторов проводилась стандартная процедура нахождения минимума функции двух переменных в ограниченной области определения. При решении экстремальной задачи получено следующее решение (табл. 3).

Таблица 3

Форма представления результата	Значения факторов в точке минимума
	клюква	брусника
В кодированных значениях	X 1 =-1; x 2 =1; X 3 =1	X 1 =-0,02; X 2 =-1; X 3 =0,08
В натуральных значениях	X 1 =40%; X 2 =0,1 (1:10); X 3 =120 с	X 1 =60,4%; X 2 =0,1 (1:10); X 3 =63,3 с
Значение функции отклика в точке минимума	Y=50,4 мг/мл	Y=32,69 мг/мл

Влияние технологических параметров на извлечение фенольных соединений из выжимок клюквы и брусники можно оценить контурами «желательности» (функции желательности) в зависимости от значений трех факторов (рис. 2, 3). Значения функции желательности по значениям Y (содержание фенольного соединения) вычисляются по формуле Харрингтона: d^(Y ) = ^exp ( ^- e ^{xp( -} Y )) . в основе построения обобщенной функции лежит идея преобразования полученных значений показателей свойств в безразмерную шкалу желательности. Таким образом, чем больше значение функции желательности, тем выше содержание.

Рис. 2. Контуры желательности фенольных соединений ‒ желаемая цель ‒ в зависимости от гидромодуля, содержания спирта и продолжительности экстракции из выжимок клюквы

Рис. 3. Контуры желательности фенольных соединений ‒ желаемая цель ‒ в зависимости от гидромодуля, содержания спирта и продолжительности экстракции из выжимок брусники

Заключение

Таким образом, на основании анализа рассмотренных факторов, способствующих интенсификации процесса экстракции под воздействием СВЧ-поля, были выбраны оптимальные параметры:

• ‒    для экстракции из выжимок ягод клюквы содержание этанола ‒ 40%, гидромодуль – 1:10, время экстракции 120 с;

• ‒    для экстракции из выжимок ягод брусники содержание этанола 60,4 %, гидромодуль – 1:10, время экстракции 63,3 с.