Конструкторские и технологические решения для производства антоциансодержащего экстракта черного риса

Многочисленными исследованиями доказаны положительные свойства антоцианов для организма человека, например, антиоксидантное действие, противовоспалительное действие, антираковая активность, антидиабетическая активность и др.

В настоящее время практически все натуральные антоцианы, применяемые в пищевой промышленности в качестве красителей или как биологически активные компоненты в составе функциональных продуктов питания, получают, преимущественно, из ягод, фруктов, овощей и злаков. Антоцианы используют для окрашивания широкого ассортимента пищевой продукции (соусов, напитков, марципана, шоколада, теста, мастики, мороженого и других продуктов) [1–6.]. В связи с доказанным высоким содержанием антоцианов 60–140 мг на 100 г [7, 8], черный рис является технологически рациональным и экономически целесообразным источником антоцианов [9, 10].

В России для получения антоцианов в условиях предприятий различной мощности черный рис не используется ввиду отсутствия рациональной технологии комплексной переработки черного риса с получением антоцианов, пищевых красителей и других продуктов.

Следовательно, актуальны исследования по разработке и научно-практическому обоснованию технологических и технических решений для производства антоцианов и антоцианового пищевого красителя из черного риса.

Цель работы -- разработка технологических решений для производства антоциансодержащего экстракта черного риса в сухой форме, подбора рациональных режимных параметров и аппаратурного оформления предложенной технологии.

Объекты и методы

Исследования по разработке способа и конструкторских решений для получения антоциансодержащего экстракта черного риса выполнены на кафедре «Технологические машины и оборудование» и научно-исследовательской лаборатории «Пищевые системы и биотехнологии» ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет».

В качестве объектов переработки использованы черный рис сорта «Мулатка» и черный рис сорта «Южная ночь». В работе применялись как традиционные, так и экспериментальные методы исследования. При проведении исследований использованы современные методики сбора, статистической обработки и анализа информации.

Качественное и количественное определение основного красящего вещества проводили спектрофотометрическим методом в соответствии с ГОСТ 33767–2016 «Добавки пищевые. Методы идентификации и определения массовой доли основного красящего вещества в пищевом красителе антоцианы Е163».

Массовую долю концентрацию антоцианов, в пересчете на цианидин-3-глюкозид, определяли методом рН-дифференциальной спектро-фотомерии в соответствии с ГОСТ 32709–2014 «Продукция соковая. Методы определения антоцианов».

Результаты и обсуждение

Традиционными стадиями при получении антоцианов из сырья растительного происхождения являются: подготовка и измельчение сырья, отделение сока или экстракция, фильтрование, ультрафильтрация, концентрирование и сушка.

Проведен анализ научной, научно-технической литературы и патентной информации. Разработке технологических решений для эффективного извлечения антоцианов из различного сырья и подбору растворителей посвящено большое количество исследований [4, 11–13]. Обоснованию различных методов интенсификации процессов извлечения ценных компонентов из растительного сырья посвящен ряд исследовательских работ [14, 15]. Актуальными являются разработки в области конструкторских решений для организации эффективной экстракции растительного сырья [16–19].

Для извлечения антоцианов из черного риса и последующего их использования в пищевой промышленности, в том числе как натурального красителя, предложен и запатентован способ [20], основанный на водной ультразвуковой экстракции по принципу реперколяции.

Разработанный способ включает: смешивание сырья с экстрагентом – водой, экстрагирование при ультразвуковой обработке смеси, отделение экстракта и его концентрирование при этом экстрагирование проводится методом реперколяции при гидромодуле 1: 4 – 1:6 и температуре 30–40 °C с использованием ультразвукового воздействия частотой 22 кГц и интенсивностью 50 Вт/см2 в течение 70–120 мин при постоянном циркуляционном перемешивании экстрагента с кратностью циркуляции 15–25 объемов/ч, затем экстракт отделяют фильтрованием, концентрирование проводят путем вакуум-выпаривания экстракта при температуре 30–40ºС до содержания сухих веществ 10–15%, затем экстракт подвергают распылительной сушке при температуре 140–160 °С. Выход антоцианов по предлагаемому способу – до 96%.

Антоциановый пищевой темно-фиолетовый краситель из черного риса является высушенным распылительным способом экстрактом черного риса с влажностью не более 5%. Изменяя рН красителя, можно получить весь цветовой спектр необходимых красителей.

Последовательность основных технологических операций представлена в виде разработанной машинно-аппаратурной схемы (рисунок 1), а режимные параметры основных операций, установленные в ходе исследований, представлены в таблице 1.

Рисунок 1. Машинно-аппаратурная схема производства экстракта черного риса: 1 – приемный бункер, 2 – весовой дозатор, 3 – водоподготовка, 4 – ультразвуковой экстрактор, 5 – насос, 6 – фильтрующее устройство, 7 – приемный бункер, 8 – вакуум-выпарной аппарат, 9 – распылительная сушилка, 10 – циклон, 11 – приемный бункер, 12 – фасовочное устройство

• Figure 1.    Machine and hardware scheme for the production of black rice extract: 1 – receiving hopper, 2 – weighing dispenser, 3 – water treatment, 4 – ultrasonic extractor, 5 – pump, 6 – filtering device, 7 – receiving hopper, 8 – vacuum evaporator, 9 – spray dryer, 10 – cyclone, 11 – receiving hopper, 12 – filling device

Таблица 1.

Режимные параметры технологических стадий производства экстракта черного риса

Table 1.

Operating parameters of the technological stages of black rice extract production

Технологическая стадия Technological stage	Описание и режимные параметры Description and Operating Parameters
Формирование экстракционной смеси – дозирование и смешивание сырья и экстрагента Formation of the extraction mixture – dosing and mixing of raw materials and extractant	Черный рис загружают в ультразвуковую экстракционную установку, затем заливают подготовленную воду с температурой 30–40 °С. Смешивание для получения экстракционной смеси происходит в соотношении сырье: вода от 1:4 до 1:6. Экстракционную смесь перемешивают и поддерживают ее температуру в диапазоне 30–40 °С Black rice is loaded into an ultrasonic extraction unit, then poured with prepared water at a temperature of 30–40°C. Mixing to obtain the extraction mixture occurs at a raw material:water ratio of 1:4 to 1:6. The extraction mixture is stirred and maintained at a temperature of 30–40°C.
Экстракция Extraction	Для извлечения водорастворимых компонентов – антоцианов из черного риса применяется ультразвуковая обработка экстракционной смеси воздействием ультразвуковых волн частотой 22 кГц и интенсивностью 50 Вт/см². Процесс экстракции длится от 70 до 120 мин. Экстракционную смесь перемешивают и поддерживают ее температуру в диапазоне 30–40 °С To extract water-soluble components—anthocyanins—from black rice, the extraction mixture is ultrasonically treated with ultrasonic waves at a frequency of 22 kHz and an intensity of 50 W/cm². The extraction process lasts 70 to 120 minutes. The extraction mixture is stirred and maintained at a temperature of 30–40°C.
Фильтрование Filtration	По завершению процесса экстракции полученную смесь разделяют на твердую фракцию – отработанный рис и жидкую фракцию – экстракт. Рис. отправляется на дальнейшую переработку (для получения кормовой продукции, рисовой муки крахмала, и др.) Once the extraction process is complete, the resulting mixture is separated into a solid fraction (spent rice) and a liquid fraction (extract). Fig. The extract is sent for further processing (to produce feed products, rice flour, starch, etc.).
Концентрирование Concentration	Концентрирование экстракта проводят путем вакуум-выпаривания при температуре 30–40 ℃ до содержания сухих веществ в концентрате 10–15% | The extract is concentrated by vacuum evaporation at a temperature of 30–40°C to a dry matter content of 10–15% in the concentrate.
Сушка Drying	Проводят распылительную сушку концентрата при температуре воздуха 140–160 °C для получения сухой формы экстракта (порошка) влажностью не более 5,0% The concentrate is spray-dried at an air temperature of 140–160°C to obtain a dry extract (powder) with a moisture content of no more than 5.0%.

В таблице 2 приведены основные органолептические показатели качества антоцианового красителя – сухого экстракта черного риса (рисунок 2), полученного при рациональных режимах экстракции.

Таблица 2. Органолептические показатели экстракта черного риса

Table 2. Organoleptic characteristics of black rice extract

Показатель Index	Характеристика Value
Внешний вид | Appearance	Однородный порошок без сбившихся комочков и посторонних примесей A uniform powder without lumps or foreign impurities
Запах | Smell	Чистый, свойственный запаху риса, без посторонних запахов Clean, with a characteristic rice aroma, free of foreign odors
Вкус | Taste	Кислый или слабокислый, слегка терпкий, без посторонних привкусов Sour or slightly sour, slightly tart, without foreign flavors
Цвет | Color	От темно-красного до темнофиолетового From dark red to dark purple

Рисунок 2. Тонкодисперсный порошок антоцианов

• Figure 2.    Fine powder of anthocyanins

Для эффективной реализации процесса ультразвуковой экстракции антоцианов из черного риса предложена конструкция экстрактора, представленная на рисунке 3.

Конструкция позволяет осуществлять экстракцию сырья путем реперколяции при циркуляции экстрагента и ультразвуковом

Разработанная машинно-аппаратурная схема (рисунок 1) позволяет спроектировать производственный участок с учетом норм технологического проектирования организаций по производству пищевой продукции.

Реализация основных стадий процесса производства сухого экстракта черного риса таких как экстрагирование, выпаривание и сушка напрямую влияет на производительность и эффективность всей технологической линии.

Следовательно, необходимо произвести подбор рациональных конструкторских решений для аппаратурного оформления предложенного способа получения антоцианового красителя из черного риса.

Рисунок 3. Ультразвуковой экстрактор: 1-цилиндрический корпус; 2, 3, 10, 12-технологические патрубки; 4 – приводная мешалка; 5-вал; 6 – загнутые горизонтальные лопасти; 7 – ультразвуковые генераторы; 8 – стержневые рабочие элементы; 9 – гидравлическая форсунка; 11-ложное дно Figure 3. Ultrasonic extractor: 1-cylindrical body; 2, 3, 10, 12-process nozzles; 4-drive agitator; 5-shaft; 6 – curved horizontal blades; 7 – ultrasonic generators; 8 – rod working elements; 9 – hydraulic nozzle; 11-false bottom

Разработаны конструкции экстракторов [21, 22], вакуум-выпарного аппарата [23] и сушильных установок [24, 25], внедрение которых позволит на практике реализовать разработанные режимы процессов производства. Воздействии на систему сырье – экстрагент при ее механическом перемешивании.

Механическое объемное перемешивание перколяционного слоя при экстракции позволяет предотвращать образование застойных зон и улучшить контакт между сырьем и экстрагентом, тем самым ускоряя процесс диффузии и увеличивая скорость и эффективность экстракции.

Ультразвуковая обработка за счет кавитационного эффекта значительно усиливает процесс экстракции, обеспечивая ряд ключевых преимуществ. Кавитационные пузырьки, схлопываясь, создают микрогидродинамические ударные волны, которые ослабляют и частично разрушают клеточные стенки сырья, высвобождая целевые компоненты, увеличивают проницаемость сырья для экстрагента, улучшают диффузию экстрагента вглубь частиц. По сравнению с традиционными методами ультразвук ускоряет процесс в 2–10 раз. Ультразвуковая обработка позволяет снизить температуру процесса, сохраняя термолабильные соединения.

Сочетание таких факторов как экстракция по типу реперколяции, механическое перемешивание и ультразвуковая обработка перколяционного слоя обеспечивает синергетический эффект, значительно ускоряя процесс экстракции по сравнению с традиционными методами, что и подтверждено в ходе реализации способа по патенту [20] и анализе показателей качества полученных образцов антоцианового красителя.

Заключение

Разработанные способ, машинно-аппаратурная схема, режимы технологических процессов и конструкции аппаратов необходимы для внедрения на предприятиях, специализирующихся на переработке растительного сырья. Внедрение позволит наладить выпуск ценной продукции: антоцианов, антоциансодержащих биологически-активных добавок из черного риса, антоцианового пищевого красителя, функциональных продуктов питания.