Исследование физико-химических свойств комбинированного экстракта из растительного сырья для производства хлеба

Хлеб играет значительную роль в питании людей, особенно в Казахстане, учитывая, что производство хлеба в нашей стране связано с глубокими и давними традициями. Поэтому важной задачей сегодня является разработка технологий для производства продуктов с добавлением витаминов и минеральных веществ. Как известно, что для повышения пищевой ценности и придания функциональной направленности хлебобулочным изделиям их состав необходимо обогащать натуральными природными веществами растительного происхождения [1].

В Южном регионе Казахстана в результате поддержки правительства Республики Казахстан постоянно ежегодно увеличивается площадь посева масличных культур и фруктов. В связи с этим постоянно развиваются предприятия по переработке этих культур. Среди них предприятия по производству винных изделий и по переработке масличных культур. Однако отходы этих предприятий – виноградные косточки и подсолнечный жмых являются ценным продуктом для пищевой промышленности, которые в настоящее время не используются в полном объеме [2].

Проведённый анализ состава виноградных косточек и подсолнечного жмыха показал, что эти растительные материалы являются источниками антиоксидантных соединений и минеральных веществ [3]. Внедрение их в технологию производства хлебобулочных изделий способствует созданию продукции с повышенной пищевой ценностью, обогащенной веществами с высокой биологической ценностью натурального происхождения.

Для обогащения состава хлебобулочных изделий биологически активными веществами из виноградной косточки и подсолнечного жмыха необходимо извлечь массу важных полезных веществ.

На сегодняшний день для извлечения комплексных полезных веществ применяются разнообразные методы экстракции. Среди всех методов экстракции в пищевой промышленности наиболее часто применяется ультразвуковая экстракция [4,9,10].

Традиционный метод экстракции водой, как правило, требует много времени, неэффективен и дает низкий выход [5]. Также традиционно обычно экстрагируют водой и осаждают спиртом, как и другие высокополярные макромолекулярные соединения, из-за соображений безопасности и низкой стоимости [6]. Эффективность экстракции при простой мацерации и механическом смешивании требует быстрого улучшения посредством индукции или лругих инновационных технологий. Поэтому при экстракции растительного сырья использование простых и экономически эффективных методов имеет особое важное значение.

Ультразвуковая поддержка может значительно ускорить процесс экстракции, сократить время экстракции и повысить производительность экстракции [7].

Результаты анализа научно-технической литературы показали, что ультразвуковая обработка более эффективна при использовании в сочетании с вакуумом [8,14-18]. Но, тем не менее, в настоящее время количество публикаций в этой направлении ограничено.

В последние годы учеными ЮжноКазахстанского университета им. М. Ауэзова были предложены совершенствованные методы экстракции растительного сырья. Суть предложенного метода заключается в том, что экстрагирование растительного сырья производится в вакууме с использованием низкочастотной ультразвуковой экстракции [3,9,10,11].

Исходя из вышеизложенного, целью данной работы является разработка технологии производства комбинированного экстракта из виноградной косточки и подсолнечного жмыха.

Материалы и методы исследования

Обьектами исследования являются виноградные косточки (далее ВК) и подсолнечный жмых (далее ПЖ).

Подсолнечный жмых был приобретен у ТОО «Арай», виноградные косточки получали из отходов винзавода ТОО «Винзавод Жетку».

Для экстракции растительного сырья использовали экспериментальную низкочастотную вакуум-ультразвуковую установку, водяную лабораторную ванну и рефрактометр. Физикохимические показатели и выход сухих веществ при экстракции растительного сырья определялись стандартными методами.

Методика экстракции растительного сырья

Для извлечения сухих веществ из виноградных косточек и подсолнечного жмыха использовались три варианта экстракции: первый (№1) - с использованием 5% растительного сырья относительно массы экстрагента, второй (№2) - с использованием 10%, и третий (№3) - с 15%.

Измельченное растительное сырье размером 1,5-2,0 мм настаивалось в 40% водно-спиртовом растворе в лабораторной водяной бане НН-86 при температура 40-45°С в течение 80 минут.

Далее подготовленное сырье подвергалось низкочастотной ультразвуковой обработке в условиях вакуума при температуре 45°С в течение 15 минут, с остаточным давлением 0,09 МПа, частотой колебаний 22 кГц и ультразвуковой интенсивностью 70 Кт/см2. После обработки полученный экстракт фильтровали через сито, а оставшееся сырье отжимали. В последующем осуществлялся анализ содержания сухих веществ в экстракте, определялись его физико-химические свойства и проводилась органолептическая оценка.

Методика производства комбинированного экстракта

Для получения комбинированного экстракта были рассмотрены три варианта комбинирования: (виноградные косточки и подсолнечный жмых): вариант №1 - 40:60; вариант №2 - 50:50; вариант №3 - 60:40.

Оптимальный выбор производится на основе изучения выхода комплекса сухих веществ, физикохимических свойств и органолептических показателей.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследование органолептических показателей, выход сухих веществ и физикохимических показателей экстрактов из растительного сырья

Результаты исследования органолептических характеристик экстрактов, полученных из растительного сырья, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Органолептическая оценка экстрактов из растительного сырья по отдельности

Варианты количества растительного сырья	Органолептические показатели
	Цвет	Запах	Вкус
Виноградная косточка
Вариант №1 - 5%	Светло-коричневый с едва заметным бледно-желтым оттенком	Отсутствие посторонних запахов, при этом чувствуется легкий аромат виноградной косточки	Едва выраженный вкус виноградной косточки
Вариант №2 - 10%	Коричневый с легким абрикосовым оттенком	Отсутствие посторонних запахов, с выраженным приятным ароматом виноградной косточки	Легкий приятный кислый вкус виноградной косточки
Вариант №3 - 15%	Темно-коричневый цвет с выраженным кирпичным оттенком	Отсутствие посторонних запахов, чувствуется ярко-выраженный аромат виноградной косточки	Терпкий вкус с горечью виноградной косточки
Подсолнечный жмых
Вариант №1 - 5%	Бледно-желтый оттенок	Без посторонних запахов, чувствуется слабый запах подсолнечного жмыха	Слабый вкус семечек подсолнухи
Вариант №2 - 10%	Обладает желтым цветом с ярким насыщенным оливковым оттенком.	Без посторонних резких запахов, присутствует приятный аромат подсолнечного жмыха.	Обладает приятным вкусом семян подсолнечника.
Вариант №3 - 15%	Цвет характеризуется насыщенным желтым оттенком с присутствием легкого зеленоватого цвета.	Без резких посторонних запахов, чувствуется насыщенный аромат подсолнечного жмыха	Насыщенный вкус семечек подсолнуха со вкусом подсолнечного масла

Анализ данных, представленных в таблице 1, демонстрирует, что по органолептическим характеристикам среди всех исследованных вариантов для комбинирования экстрактов был выбран вариант №2, поскольку он показал наилучшие результаты по всем параметрам, так как в первом варианте вкус, аромат и цвет выражены слабо, а в третьем варианте преобладает подсолнечный жмых. Во втором варианте баланс более гармоничный, что положительно скажется на введении экстракта в выпечку хлебобулочных изделий. Исследование также охватило выход сухих веществ, который служит индикатором содержания биологически активных компонентов, а также анализировало физико-химические свойства при извлечении экстрактов из растительного сырья.

Результаты исследования

Резуьтаты исследования по определению концентрации сухих веществ в образцах экстрактов, полученных из виноградных косточек и подсолнечного жмыха, выполненные с использованием как стандартных, так и предложенных методов, представлены в виде графического изображения. Взаимосвязь между выходом сухих веществ и содержанием исходного сырья в экстрагенте иллюстрируется на рисунке 1.

а)                                            б)

Рисунок 1. Содержание сухих веществ в экстрактах из виноградной косточки и подсолнечного жмыха: а) традиционным методом (мацерация); б) предлагаемым методом

Анализ изменения выхода сухих веществ в зависимости от концентрации растительного сырья в экстрагенте показал, что при использовании традиционного метода повышение доли сырья с 5% до 10% способствует увеличению выхода сухих веществ на 10% при экстракции из виноградной косточки и на 11,7% - при применении подсолнечного жмыха. В случае применения альтернативного (низкочастотного вакуумноультразвукового) метода прирост выхода сухих веществ составил 11,2% и 12,2% соответственно. При дальнейшем увеличении содержания сырья до 15% традиционная технология обеспечивает рост выхода сухих веществ до 23% для виноградной косточки и до 30,6% - для подсолнечного жмыха. В то же время при использовании альтернативного метода прирост составляет лишь 0,6% для виноградной косточки и 0,3% - для подсолнечного жмыха. На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что применение низкочастотной ультразвуковой обработки в вакууме наиболее эффективно при содержании сырья в диапазоне 10-15%, что способствует максимальному получению сухих веществ из виноградной косточки и подсолнечного жмыха. Увеличение количества экстрагируемого вещества в экстрагенте действительно повышает выход сухих веществ, однако процесс часто завершается образованием густой массы с минимальным количеством жидкого экстракта из-за поглощающих свойств извлекаемых компонентов.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что оптимальным количеством экстрагируемого сырья в составе экстрагента является 10…12%. Повышение количества содержания экстрагируемого сырья в составе экстрагента 15% и далее является экономически не выгодным, так как выход сухих веществ увеличивается, но за счет поглащающего свойства экстрагируемых веществ выход жидких экстрактов уменьшается .

Результаты исследования физикохимических свойств экстрактов, полученных из растительного сырья, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Физико-химические показатели при экстракции растительного сырья по отдельности

Варианты            количества растительного сырья	Физико-химические свойства экстракта
	рН         1	плотность ρ, кг/м3 \	активность воды
Виноградные косточки
Вариант №1 - 5%	5,99	958	0,978
Вариант №2 - 10%	5,97	963	0,979
Вариант №3 - 15%	5,96	963	0,982
Подсолнечный жмых
Вариант №1 - 5%	6,78	955	0,990
Вариант №2 - 10%	6,73	962	0,993
Вариант №3 - 15%	6,72	962	0,995

На основании исследования физикохимических характеристик и выхода сухих веществ при экстракции растительного сырья можно заключить, что для получения комбинированных экстрактов оптимальное количество виноградных косточек и подсолнечного жмыха должно составлять от 10 до 12 %. Так как, по мере увеличения экстрагируемого сырья показатели плотности, активности воды и сухих веществ соответственно увеличиваются, а рН снижается создавая кислую среду для жизнедеятельности хлебных дрожжей. Однако при экстрагировании растительного сырья в 15% и далее выход жидких экстрактов уменьшается, что понижает общую производительность экстрактов.

Исследования по органолептическим показателям, по выходу сухих веществ и по физико-химическим свойствам комбинированных экстрактов

Результаты исследования органолептических показателей комбинированных экстрактов из растительного сырья представлены в таблице 3.

Таблица 3. Органолептическая оценка комбинированных экстрактов разных соотношении ВК:ПЖ

Варианты комбинации экстрактов	Органолептические показатели
	Цвет	Запах	Вкус
Комбинированный экстракт №1- ВК:ПЖ-40:60	Светлокоричневый, неоднородный	Без резких посторонних запахов, но преимущественный аромат подсолнечного жмыха	Преобладает вкус подсолнечного жмыха
Комбинированный экстракт №2- ВК:ПЖ-50:50	Коричневый, однородный	Без резких посторонних запахов, чувствуется приятный гармоничный аромат винного и масличного характера	Чувствуется приятный вкус винного и масличного сырья
Комбинированный экстракт №3- ВК:ПЖ-60:40	Коричневый, однородный	Без резких посторонних запахов, преобладает аромат винного сырья	Преимуществен вкус

Анализ органолептических показателей, представленных в таблице 3, позволяет заключить, что среди всех оцененных вариантов для комбинирования, наиболее подходящим является вариант №2. Этот вариант относится к соотношению растительного сырья в комбинации из виноградной косточки и подсолнечного жмыха: 50:50. Так как, этот вариант по сравнению с двумя другими вариантами имеет приятный гармоничный запах, вкус винного и масличного характера.

Результаты анализа физико-химических характеристик комбинированных экстрактов, полученных из растительного сырья, приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Физико-химические показатели комбинированных экстрактов из растительного сырья

Варианты комбинации экстрактов	Физико-химические свойства исследуемого экстракта			Процентное содержание сухих веществ, %
	рН, активная кислотность	р, плотность экстракта, кг/м3	Aw, активность воды
Комбинированный экстракт №1- ВК:ПЖ-40:60	6,02	962	0,985	13,0
Комбинированный экстракт №2- ВК:ПЖ-50:50	6,02	965	0, 956	13,6
Комбинированный экстракт №3- ВК:ПЖ-60:40	6,05	964	0, 979	13,2

Анализ органолептических характеристик, представленных в таблице №3, свидетельствует о том, что наиболее предпочтительным для комбинирования является образец №2. Данный вариант соответствует соотношению растительного сырья – виноградной косточки и подсолнечного жмыха – 50:50. В сравнении с другими исследуемыми образцами, он демонстрирует более выраженные органолептические свойства, характеризующиеся гармоничным, сбалансированным ароматом и вкусом с типичными винными и масличными оттенками.

По результатам физико-химического анализа комбинированных экстрактов установлено, что одним из определяющих факторов эффективности экстракционного процесса является выход сухих веществ. Данный показатель служит показателем наличия биологически активных веществ, извлечённых из растительного сырья, и в целом характеризует эффективность полученного экстракта.

Заключение. выводы

Проведенные исследования подтверждают, что использование низкочастотной вакуумноультразвуковой обработки при извлечении компонентов из растительного сырья способствует увеличению выхода сухих веществ. В рамках экспериментальной части был получен комбинированный экстракт на основе виноградных косточек и подсолнечного жмыха в соотношении 50:50, при этом общее процентное содержание сухих веществ составляет 13,6%. Указанное соотношение компонентов рекомендуется в качестве оптимального варианта комбинирования (ВК:ПЖ), так как в данном комбинированном экстракте физико-химические показатели составляют: рН-6,02, плотность 965 кг/м3, активность воды 0,956, а содержание сухих веществ 13,6%.