Применение эффектов ультразвукового кавитационного воздействия как фактора интенсификации извлечения функциональных ингредиентов

На протяжении последних лет активная пропаганда привела к значительному росту интереса населения к здоровому образу жизни и здоровому питанию. Этому же способствовало установление причинной связи роста числа хронических заболеваний с несбалансированным питанием, в результате чего к пищевым продуктам стали относиться как к эффективному средству снижения риска возникновения многих заболеваний и поддержания здоровья человека [2, 4, 6, 17].

Многие научно-исследовательские институты и промышленные компании занялись активным поиском и производством функциональных ингредиентов и, как результат, только на российском рынке в настоящее время присутствует около 6 – 8 тысяч биологически активных добавок (БАД).

Однако, чем больших успехов было достигнуто в создании и производстве искусст- венных БАД, тем больше растет стремление, доверие и интерес потребителей к натуральным биологически активным веществам, а также продуктам и напиткам, нативно содержащим функциональные ингредиенты. В связи с этим актуальной проблемой на сегодня остается поиск инновационных технологий, направленных на ресурсосберегающую переработку сырья, интенсификацию технологических процессов и максимальное накопление/ извлечение физиологически ценных компонентов из сырьевых ресурсов [1, 8]1.

Особую актуальность приобретают вопросы научно-обоснованного рационального использования технологий с применением современных электрофизических способов воздействия, в том числе, ультразвуковых.

Проблемы применимости ультразвукового воздействия (УЗВ) в пищевых производствах изучаются различными группами ученых.

Австралийскими учеными Muthupandian Ashokkumar, Pablo Juliano, Bogdan Zisu предлагается применять эффекты кавитации для инкапсуляции функциональных компонентов и их переноса. Французскими учеными -проф. Farid Chemat и проф. Jochen Strubeм-доказана применимость ультразвукового воздействия в технологии натуральных продуктов на основе процессов эко-экстракции. Christina Hesselmann, Pablo Juliano и Kai Knoerzer предложена сверхзвуковая модуляция химии клеточной стенки для улучшения структуры переработанных плодов и овощей. Bogdan Zisu и Tina Dincerb доказали применимость ультразвука в технологии переработки молока с акцентом на интенсификацию процессов концентрации сухих веществ молока. Yacine Hemara, Ning Kanga и Muthupan-dian Ashokkumar описывают использование мощного ультразвука в модификации крахмала, в противоположность химическим и ферментативным методам, которые традиционно используются, чтобы обеспечить крахмалу функциональные свойства [3, 5, 6, 8, 10, 16].

Однако влияние ультразвуковых технологий на процесс интенсификации извлечения или накопления функциональных компонентов изучено недостаточно, что стало основной целью нашего исследования.

Известно, что большинство нативных пищевых систем состоит из разных нутриентов, имеющих широкую зону нестабильности по количеству и качеству, и как следствие, свойствам. Вместе с тем, нутриенты пищевых продуктов представляют огромную ценность как самостоятельные пищевые функциональные ингредиенты.

Для извлечения нутриентов, в частности биологически активных веществ из растительного сырья, в пищевой промышленности традиционно применяют различные подходы, в том числе экстракцию. Вместе с тем, традиционная экстракция протекает, как правило, произвольно, что оказывает негативное влияние на конечный выход биологически активных веществ и их свойства [7, 9, 15, 18].

При произвольном течении экстракции имеют место быть ряд недостатков – значительный диапазон колебаний размерного ряда экстрагируемых частиц, увеличение зоны нестабильного протекания диффузионных про- цессов, невозможность воспроизводства процесса экстракции в технологическом потоке и т. д. Вследствие этого, существует острая необходимость регулирования и жесткого контроля процесса экстракции для обеспечения заданных параметров получаемых продуктов.

Использование ультразвуковой экстракции может позволить минимизировать указанные недостатки, обеспечив эффективное протекание процесса экстракции, путем регулирования скорости диффузии, увеличения проникающей способности экстрагента, как следствие, увеличения количества экстрагируемых веществ, в том числе меньшего размерного ряда.

Кавитация – это важный эффект УЗВ, который обусловливает физические и химические изменения в среде воздействия. Механизм ультразвуковой кавитации в жидких системах обусловлен образованием ударных волн, высокой температуры и давления [9, 13, 12, 13, 19].

Физические эффекты проявляются в изменении вязкости, дисперсного состояния, а также прочности коллоидной системы, химические, как правило, взаимосвязаны с тепломассообменом [10, 11, 14].

Выбор правильных параметров ведения процесса ультразвуковой экстракции (мощность, частота, время воздействия, конфигурация ультразвукового воздействия) представляет особый интерес для пищевой промышленности. Контролируя такие показатели как перенасыщение, отношение экстрагента к экстрагируемому веществу, температуру экстракции и другие характеристики, возможно обеспечить эффективность протекания процесса и интенсифицировать извлечение функциональных ингредиентов из сырья.

В задачи нашего исследования входило установить возможность использования УЗВ в технологии экстракционных процессов при переработки ягодного сырья.

В рамках работы была поставлена серия экспериментов, направленных на установление возможности использования ультразвукового воздействия в технологии экстракционных процессов и извлечения физиологически ценных веществ из ягод клюквы с учетом следующих условий:

– частота УЗВ (22 ± 1,65) кГц;

• –    мощность 180 Вт;

• –    время воздействия 1 мин ( режим 1 ), 3 мин ( режим 2 ), 5 мин ( режим 3 ).

Оценивались показатели экстрактов, характеризующие общий характер протекания процесса экстракции и интенсивность извлечения физиологически ценных компонентов: содержание сухих веществ, массовая доля дубильных веществ. Результаты исследования представлены на рис. 1.

Результаты, представленные на рис. 1, свидетельствуют о выраженном влиянии ультразвукового воздействия на процесс экстракции. Использование УЗВ позволило увеличить выход экстрагируемых веществ в сравнении с контролем.

Полученные эффекты увеличения выхода экстрактивных веществ при использовании ультразвуковой обработки обусловлены механическим действием ультразвука, способствующим прониканию растворителя в растительную ткань. Разрушая клеточные стенки, ультразвук облегчает поступление экстрактивных веществ из клеток в растворитель. Кроме того, дробление частиц посредством ультразвуковой кавитации увеличивает площадь соприкосновения между экстрагируемыми веществами и экстрагентом.

Среди экстрагируемых компонентов клюквы, с точки зрения физиологический ценности, приоритетное значение имеют дубильные вещества, которые представляют собой сложную смесь нескольких десятков полифеноль-ных соединений, состоящую из танина, различных катехинов и их производных. Большая часть этих соединений обладает Р- витаминно, антиоксидантной активностью и бактерицидным свойствами, что в целом определяет и их физиологическую ценность.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что воздействие ультразвука на этапе экстракции позволило увеличить содержание дубильных веществ в сравнении с контрольным образцом. Гораздо более эффективными оказались 2 и 3 режимы воздействия, которые позволили увеличить содержание дубильных веществ на 21 и 28 % соответственно.

В целом же тенденции экстрагирования дубильных веществ и общего количества сухих веществ в исследуемых образцах носили идентичный характер, что в свою очередь, подтверждает эффективность 2 и 3 режимов УЗВ в отношении физиологически ценных компонентов ягодного сырья.

В рамках дальнейших исследований для нас представляла интерес возможность оценить влияние ультразвукового воздействия на экстрагирование веществ антиоксидантного ряда и оценить антиоксидантные свойства экстрактов.

Под антиоксидантной активностью (АОА) понимают способность продуктов тормозить процессы окисления органических и высокомолекулярных соединений, и тем самым снижать выход продуктов этого окисления: гидроперекисей, спиртов, альдегидов, кетонов, жирных кислот и т. д. Одним из наиболее простых и доступных является метод

Рис. 1. Результаты определения физико-химических показателей качества экстрактов

определения антиоксидантной активности с использованием окисления жиросодержащих продуктов.

В рамках исследования использовалась методика, основанная на использовании метода определения перекисного числа (ПЧ) льняного масла [2, 3] и выражение АОА в условных единицах, определяемых как 1/ПЧ. Результаты определения этого показателя представлены на рис. 2.

Результаты определения антиоксидантной активности (АОА) исследуемых образцов экстрактов показали эффективность использования ультразвукового воздействия для извлечения веществ антиоксидантного ряда. Увеличение значения АОА составило 15,3 % по отношению к контролю для образца, полученного при использовании 3-го режима УЗВ и 13,6 % – второго.

Полученные результаты могут способствовать разработке универсальной технологии экстракции физиологически ценных ингредиентов (биологически активных веществ) с использованием эффектов ультразвуковой обработки (кавитации). Дальнейшие исследования позволят выявить стандартизированные параметры ведения технологических процессов экстрагирования на основе использования ультразвука и разработать ресурсоэффективную технологию экстракции, применимую для пищевых производств.