Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 10
1.1. Антиоксиданты и их свойства 10
1.2. Общая характеристика природных биологически-активных веществ 22
1.2.1. Распространение токоферолов в природе и продуктах жизнеобеспечения 24
1.2.2. Витамин А в природе, продуктах жизнеобеспечения 31
1.3. Перекисное окисление липидов 41
1.4. Антиоксиданты 45
1.4.1. Общее представление о механизме действия антиоксидантов (АО) 47
1.5. Извлечение растительных масел из масличного сырья 52
1.5.1. Строение олеосом 53
1.5.2. Традиционные методы получения растительных масел: достоинства и недостатки 55
1.5.3. Водная экстракция растительных масел 57
Глава 2. Методы исследований 59
2.1. Метод спирто:масляной экстракции 59
2.2. Схема получения водорастворимых препаратов токоферолов 59
2.3. Определение влажности сырья 61
2.4. Определения масличности сырья 61
2.5. Определение содержания каротиноидов 62
2.6. Определение содержания токоферолов 64
2.7. Определение кислотного числа масел 66
2.8. Определение перекисного числа масел 67
2.9.0пределение коэффициентов распределения концентрации каротиноидов и токоферолов в двухфазных системах 68
2.10. Определение стабильности качественных показателей в препаратах и продуктах 69
2.11 .Математическая обработка результатов экспериментов 70
Глава 3 Выбор растительных источников каротиноидов и токоферолов 72
3.1. Получение витаминизированного подсолнечного масла экстракционным способом 77
3.2. Определение коэффициентов распределения каротиноидов и токоферолов в двухфазных системах 81
3.3. Изучение эффективности экстракционных технологий для растительного сырья 90
3.4. Получение витаминизированных масел методом спирто-масляной экстракции 91
Глава 4. Характеристика витаминизированных масел и липидных продуктов 94
4.1. Получение витаминизированных масел методом спиртовой экстракции 100
Глава 5. Разработка способов получения водорастворимых препаратов токоферола 104
5.1. Получение спиртовых экстрактов токоферолов 104
Глава 6. Выбор оптимальных условий сорбции токоферолов на пектин 110
Глава 7. Исследования использования полученных витаминизированных продуктов в диетпитании 117
Заключение 120
Список используемой литературы 123
Приложения
- Витамин А в природе, продуктах жизнеобеспечения
- Определение коэффициентов распределения каротиноидов и токоферолов в двухфазных системах
- Получение спиртовых экстрактов токоферолов
- Выбор оптимальных условий сорбции токоферолов на пектин
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из перспективных направлений масложировой промышленности ее инновационного развития является разработка новых и совершенствование существующих технологий получения и переработки растительных масел, позволяющих получать масла высокой пищевой и биологической ценности, которые необходимы для производства высококачественных продуктов питания. В соответствии с концепцией здорового питания, в РФ необходимо увеличивать потребление разнообразных растительных жиров и масел, являющихся источниками жирорастворимых витаминов и биологически активных веществ.
Поэтому разработка конкурентоспособных технологий получения жировых продуктов, обогащенных жирорастворимыми витаминами и обладающих функциональными свойствами за счет содержания нативных биологически активных веществ и предназначенных для систематического употребления различными группами населения, приобретает особую актуальность. Это обосновывает выбор темы и актуальность диссертационного исследования, а также полностью соответствует требованиям государственной политики в области разработки новых продуктов питания с функциональными свойствами.
Степень разработанности проблемы
Проведенные исследования основаны на научно-теоретических трудах и экспериментальных исследованиях ученых: В.П. Варламова, О.С. Восканян, Е.В. Грузинова, А.А. Кочетковой, А.Ю. Кривовой, Е.П. Корненой, А.П. Нечаева, В.Е.Тарасова, В.А. Тутельяна, Ю.А. Тырсина, Т.В. Шленской, В.Х. Пароняна, Н.М. Скрябиной и других ученых, работающих над этой проблемой.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы явились разработка и совершенствование технологий, обеспечивающих создание витаминизированных салатных масел для лечебно-профилактических диет, оценка эффективности экстракционных технологий для переработки витаминного растительного сырья, разработка способа получения водорастворимых форм токоферолов, апробация витаминизированных продуктов, полученных на основе разработанных технологий в диетическом питании.
В соответствии с поставленной целью исследования были сформулированы и решены следующие задачи:
- поиск перспективных источников витаминсодержащего растительного сырья с целью выделения витаминизированных продуктов;
- разработка технологии получения витаминных препаратов и витаминизированных продуктов на основе изучения особенностей сырьевой базы и характера известных в настоящее время технологий добывания биологически активных веществ;
-разработка и оптимизация технологии и параметров получения витаминизированного подсолнечного масла, обогащенного витаминами из смешанного растительного сырья;
- исследование закономерностей распределения токоферолов и каротиноидов в двухфазных системах;
-получение витаминизированных масел и липидных витаминизированных продуктов из нетрадиционного растительного сырья экстракционными методами и исследование свойств полученных продуктов;
- проведение исследований для обоснования технологии получения водорастворимых форм токоферолов из растительного сырья;
- апробация витаминизированных продуктов, полученных на основе предлагаемых технологий, и использование последних в диетах функционального и профилактического назначения, безопасных в потреблении для различных групп населения.
- квалифицирование разработанного пищевого продукта , как продукта для лечебно-профилактического питания при ожирении.
Научная новизна работы
В диссертационной работе лично автором получены следующие научные результаты:
- научно обоснована и экспериментально подтверждена комплексными исследованиями необходимость поиска перспективных источников растительного сырья для выделения витаминных препаратов;
- научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования предобработки сырья, установлено влияние режимных параметров на изменение функциональных свойств экстрактов;
- обосновано увеличение глубины извлечения витаминных препаратов и витаминизированных продуктов, выявлены закономерности распределения токоферолов и каротиноидов в системах масло:этанол и масло:спиртовой экстракт сырья, на основании которых предложены приемы для интенсификации процесса экстракции и варьирования композиционным составом витаминизированных масел;
- получены данные по составу и стабильности витаминизированных масел и липидных витаминных продуктов. Показано сходство жирнокислотного состава масел из семян боярышника и зародышей пшеницы;
- обоснована окислительная стабильность витаминизированного масла, полученного по разработанной технологии, и подтверждена исследованиями кинетических изменений показателей перекисного и кислотного чисел, а также общей степенью окисленности;
- установлены и экспериментально подтверждены оптимальные параметры процесса получения водорастворимых форм токоферолов из растительного сырья, определена сорбционная емкость различных гидрофильных носителей в отношении токоферола;
-обосновано использование витаминных продуктов, полученных на основе предлагаемых технологий, для использования в диетах функционального и профилактического назначения, безопасных в потреблении;
-научно-техническая новизна работы подтверждена патентами РФ (патент № 2242507, патент № 2242506).
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
- в разработке и научном обосновании технологии и параметров мягкого съема витаминизированного подсолнечного масла из смешанного растительного сырья;
- в предложении приемов повышения эффективности технологических процессов экстракции из растительного сырья за счет комплексной масляной и спиртово-водной экстракций, способствующих увеличению выхода каротиноидов и токоферолов, и регулирования их соотношения на основании использования закономерностей распределения в двухфазных системах;
-показана эффективность использования технологии спиртовой и спирто-масляной экстракции при получении витаминизированных масел и липидных витаминных продуктов;
-в разработке технологии получения водорастворимых препаратов токоферолов из жома барбариса. Проведены производственные испытания по выработке витаминного препарата на производстве ООО «Тереза-Интер», получена опытная партия нового продукта;
- в разработке алгоритма менеджмента и определении критериев качества технологии получения новых продуктов, составлении технологических инструкций процесса производства. Проведены производственные испытания по выработке продукта содержащего водорастворимые токоферолы, получена опытная партия витаминизированного салатного масла в промышленных условиях соответствующая по своим показателям требованиям Технологического регламента Таможенного союза 024/2011 «Технический регламент на масложировую продукцию»;
- в применении результатов научных и экспериментальных исследований в учебных процессах по специальностям «Технология продуктов общественного питания» и «Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно–косметических продуктов» при: чтении лекций, выполнении лабораторных и практических работ, научно-исследовательских дипломных и курсовых работах студентов, разработке учебно – методических пособий, выполнении научно – исследовательских работ;
- технологические решения закреплены в патентах РФ (патент № 2242507, патент № 2242506).
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения:
-
Скрининг растительного сырья с целью выявления последнего, как источника токоферолов, каротиноидов и растительных масел.
-
Разработка и оптимизация технологий использования смешанного витаминизированного растительного сырья для получения салатных витаминизированных масел и витаминных продуктов.
-
Повышение эффективности извлечения каротиноидов из смешанного растительного сырья методом мягкого съема.
-
Изучение закономерностей распределения токоферолов и каротиноидов в модельных системах масло:этанол и в системах масло:спиртовой экстракт растительного сырья.
-
Способ получения водорастворимых форм токоферолов, основанный на сорбции токоферолов из спиртовых растворов на гидрофильные носители.
-
Разработка технологических инструкций и проведение промышленных испытаний по производству витаминизированного салатного масла.
7.Определение окислительной стабильности предлагаемых витаминизированного масла и витаминных продуктов.
8. Обоснование эффективности использования разработанных продуктов для витаминизированного масла и напитка для лечебно-профилактических диет различных групп населения.
Личный вклад соискателя
Научное обоснование, постановка цели и задач исследования, организация, планирование и проведение эксперимента, обработка и обобщение результатов исследований, разработка и совершенствование технологий, подготовка результатов к опубликованию, участие в проведении производственных испытаний.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Достоверность полученных результатов подтверждена применением современных физико-химических методов анализа, актами выработки и испытаний опытно-промышленных партий витаминизированных продуктов, согласно технологическим инструкциям, осуществленным на производственных мощностях ООО «Тереза-Интер» и ООО «Мэджи».
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: конференция «Современные проблемы пищевой промышленности» (Москва, 1997); IX Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности» (Москва, 2003); X Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности» (Москва, 2004); XI Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности» (Москва, 2005); Международный форум «Ярмарка банков и инвестиционных проектов в АПК» (Москва, 2005); 5-ая конференция Отделения наукоемких технологий, экомониторинга и экономики пищевых производств (Москва, 2006); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные проблемы потребительского рынка товаров и услуг» (Киров, 2011).
Публикации. Всего опубликовано 12 научных трудов, в том числе 4 статьи в журналах по утвержденному списку ВАК РФ, 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации
Витамин А в природе, продуктах жизнеобеспечения
Витамин А (ретинол) - жирорастворимый витамин, антиоксидант, необходим для зрения и костей, а также здоровья кожи, волос и работы иммунной системы. Витамин А участвует в окистительно-восстановительных процессах, регуляции синтеза белков, способствует нормальному обмену веществ, функции клеточных и субклеточных мембран, играет важную роль в формировании костей и зубов, а также жировых отложений; необходим для роста новых котелок, замедляет процесс старения.
Витамин А является жирорастворимым, поэтому для его усвоения пищевым трактом требуются жиры, а также минеральные вещества. В организме его запасы остаются достаточно долго, чтобы не пополнять его запасы каждый день. Существует две формы этого витамина: это готовый витамин А (ретинол) и провитамин А (каротин), который в организме человека превращается в витамин А, поэтому его можно считать растительной формой витамина А [53].
Среди витаминов, продуктах жизнеобеспечения, витамин А занимает особое место. Его иногда называют витамином - нормализатором благодаря уникальной способности воздействовать на все живые клетки, регулируя процессы пролиферации, дифференцировки и межклеточной коммуникации. Местное применение ретиноидов приводит к утоньшению рогового слоя и более быстрому обновлению эпидермиса, контролирует пигментацию, нормализует деятельность сальных желез и, наконец, способствует восстановлению дермального матрикса - замечательные свойства, которые просто бесценны [34].
Потребность человеческого организма в витаминах, в частности в витамине А, в настоящее время удовлетворяется не полностью. Это отрицательно сказывается на защитных силах организма, уменьшает его устойчивость к простудным, инфекционным заболеваниям, а также может оказать влияние на возникновение, развитие и исход онкологических заболеваний. Вот почему в последние годы большое значение придается витамину А (ретинол) и его природному источнику каротину [36,37,38].
Витамин А имеет бледно-желтый цвет, который образуется из красного растительного пигмента бета-каротина.
Был открыт в 1920 году, первый из открытых витаминов.
Лучшие источники витамина А - рыбий жир и печень, следующими в ряду стоят сливочное масло, яичные желтки, сливки и цельное молоко. Зерновые продукты и снятое молоко, даже с добавками витамина, являются неудовлетворительными источниками, равно как и говядина, где витамин А содержится в ничтожных количествах.
Рекомендуемой суточной дозой витамина А является:
900 мкг (3000 МЕ) для мужчин
700 мкг (2300МЕ) для женщин
При заболеваниях, связанных с недостаточностью ретинола, дозировка может быть увеличена до 10000 ME в день (вышеприведенные дозировки относятся исключительно к ретиноидной форме витамина А. каротиноидная форма не столь токсична).
Взаимодействие с другими веществами.
Витамин Е (токоферол) предохраняет витамин А от окисления как в кишечнике, так и в тканях. Следовательно, если у вас недостаток витамина Е, вы не можете усваивать нужное количество витамина А, и поэтому эти два витамина нужно принимать вместе.
Дефицит цинка может привести к нарушению превращения витамина А в активную форму. Поскольку организм в отсутствие достаточного количества цинка не может синтезировать белок, связывающий витамин А, - молекулу-переносчика, которая транспортирует витамин А через стенку кишечника и освобождает его в крови, - дефицит цинка может привести к плохому поступлению витамина А к тканям. Эти два компонента взаимозависимы: так, витамин А способствует усвоению цинка, а цинк так же действует в отношении витамина А.
Ретиноидами называют натуральные или синтетические соединения, проявляющие сходное с витамином А (ретинолом) действие. Это вовсе не означает структурное сходство ретиноида с самим ретинолом. Молекулы многих синтетических ретиноидов существенно отличаются от изопреновои структуры природного витамина А (рис. 1), однако действуют они сходным образом — через активацию ядерных ретиноевых рецепторов [45,35].
Ретиноиды оказывают большое влияние на пролиферацию и дифференцировку эпителиальных клеток, некоторые из них подавляют секрецию кожного сала. Эти свойства оказались полезными при лечении ряда дерматологических заболеваний, связанных с гиперсекрецией и гиперкератинизацией. Постепенно расширялись знания о механизме действия ретиноидов, что позволило ученым и врачам создавать новые лекарственные препараты и продукты питания [46,47].
Хорошим примером может служить статья, в которой представлены результаты четырехлетнего исследования местного применения 0,05% третиноина для коррекции фотоповреждений. Гистологическая оценка кожи проводилась в течение всего курса терапии и выявила ряд интересных закономерностей, которые согласно времени их появления можно разбить на ранние, промежуточные и поздние. Ежедневное использование продукта, содержащего ретиноиды, довольно быстро приводит к видимому уменьшению глубины морщин, коррелирующему с появлением в эпидермисе мукополисахаридов и уплотнением рогового слоя. Однако быстрое первоначальное улучшение носит временный характер. Дальнейшие клинические изменения проявляются постепенно по нарастающей. Максимально возможное улучшение достигается примерно через 2 года после начала курса. К этому времени в дермальном матриксе обнаруживаются стойкие изменения, связанные с частичным замещением поврежденного коллагена вновь синтезированным. Сокращение частоты нанесения препарата до 3 раз в неделю позволяет этот эффект поддерживать. В течение всего курса обработки наблюдается увеличение содержания мукополисахаридов в эпидермальном и дермальном слоях кожи и снижение числа меланоцитов. В результате долговременного использования третиноина не было выявлено атипии кератиноцитов и меланоцитов [48,49,50].
Кинетика ретиноидов в коже и их физиологическая активность зависят от их химической структуры и, следовательно, различны у разных ретиноидов. Биологически активная форма витамина А, в клинике известная как третиноин, — это /иряис-ретиноевая кислота (транс-РК). Она обладает достаточно высоким раздражающим потенциалом и используется, как правило, в медицинских целях в течение ограниченного времени. В косметические средства массового использования включаются менее раздражающие производные ретиноевой кислоты -эфиры ретинилпальмитат или ретинилацетат (соответственно витамин А-пальмитат и витамин А-ацетат), реже — сам ретинол (рис. 2).
Эфирные производные транс-РК более стабильны, имеют низкий раздражающий потенциал и не токсичны. В клетках кожи фермент эстераза гидролизует эфир транс-РК до ретинола, который затем окисляется ферментом алкогольдегидрогеназой до своего активного метаболита — ретиноевой кислоты. Единственное "но", из-за которого эфиры не сразу прижились в средствах по уходу за кожей, — это их более низкая проницаемость через роговой слой по сравнению с транс-РК. Однако многочисленные эксперименты показали, что при грамотном подборе остальных компонентов и выборе правильной концентрации эфиры ретиноевой кислоты не только проникают в кожу, но и оказывают физиологическое действие [51,52].
Определение коэффициентов распределения каротиноидов и токоферолов в двухфазных системах
Экстракция широко применяется для выделения масел и биологически активных веществ из растительного сырья. В качестве экстрагента используют этанол, метанол, серный эфир, хлороформ, гексан, петролейный эфир, растительные масла и другие. При экстракции растительного сырья, с очень низким содержанием липидов, например, зеленых частей растений, с помощью одного вида экстрагента, экстракт представляет собой однородный раствор. Выход экстрагированного вещества из сырья зависит от его растворимости в экстрагенте. При соответствующих параметрах процесса (соотношении массы сырья и объема экстрагента, температуре и продолжительности экстракции) может быть достигнуто практически полное извлечение целевого продукта. При экстракции из сырья, обладающего определенной масличностью, с помощью растворителей, неограниченно смешивающихся с маслами, экстракт также однороден и процесс экстракции сходен с вышеописанным. Иная картина наблюдается при использовании экстрагентов, ограниченно растворимых в маслах, или их смесей с маслом, например, этанола и смеси масло: этанол.
При экстракции сырья, имеющего определенную масличность, масло переходит в этанол и в процессе экстракции образуется система масло:этанол, так что закономерности экстракции этанолом и смесью масло:этанол сходны. При такой экстракции конечный экстракт, отделенный от сырья, представляет двухфазную систему, в которой целевой продукт распределен соответственно степени его химического сродства к комплексам веществ, составляющих эти фазы. Соотношение концентраций продуктов в фазах, так называемый коэффициент распределения (Кр), зависит от ряда факторов, прежде всего от химического состава фазы и температуры, при которой произошло разделение фаз. Чем ниже температура, тем более выражены различия в растворимости вещества в фазах разного состава и, соответственно, тем выше Кр. В точке кипения экстрагента понятие Кр теряет смысл, так как двухфазный экстрагент становится однофазным.
Зная Кр вещества в системе экстрагентов, можно регулировать выход целевого продукта в той или иной фазе. Обозначим через Кр коэффициент распределения вещества между фазами 1 и 2, тогда концентрация вещества в фазе 1 может быть выражена как: С] = КрСг, где С2 - концентрация вещества в фазе 2.
Общее количество экстрагированного вещества в двух фазах: Х= KpC2v\ + C2v2, где v, и v2 - объемы фаз 1 и 2.
В нашей работе в качестве экстрагентов использовали этанол и смесь масло:этанол, основными целевыми продуктами являлись каротиноиды и токоферолы, витаминизированные масла. Поэтому представляло интерес определить Кр каротиноидов и токоферолов в системе масло:этанол. Опыты проводились как в модельных системах, с растворами чистых витаминов, так и с использованием витаминизированных масел и эстрактов растительного сырья.
Исследовали распределение чистого а-токоферола в системе: рафинированное подсолнечное масло - водный этанол, в пределах концентрации последнего 70-97,5%. Использовано подсолнечное масло с содержанием токоферола 0,66 мг/г. согласно рисунку 3.1 видно, что КР в системе масло-этанол резко повышается по мере снижения концентрации этанола: с 7 до 300 в интервале концентраций 70-97,5%. Это объясняется уменьшением растворимости токоферола в водном этаноле по мере повышения доли воды. Логарифмическая зависимость Кр от концентрации этанола имеет линейный характер и достаточно хорошо описывается формулой: lgKp =0.7 + 0.07(100 - с), где с - концентрация этанола в %. Кр токоферолов пшеничного масла в системе: пшеничное масло : этанол, при концентрации этанола 89,6%, близок к найденному для системы с подсолнечным маслом и составляет 26,00+0,80 (табл. 3.7).
Распределение р-каротина определяли в системе: раствор микробиологического Р-каротина в подсолнечном масле - водный этанол (рис. 3.2, табл. 3.8). Р-Каротин ограниченно растворим в этаноле, поэтому Кр определяли в более узком интервале концентрации спирта. При концентрации этанола 80% Р-каротин практически в нем не растворяется. Сопоставив результаты с полученными для токоферола, видим, что Кр для каротина существенно выше (при концентрации спирта 97,5% соответственно 129 и 7), что объясняется более гидрофобным характером молекулы р-каротина и соответственно его более высокой растворимостью в масле.
В масле из семян расторопши, наряду с Р-каротином, присутствуют ксантофиловые каротиноиды, менее гидрофобные, чем р-каротин, что объясняется наличием гидроксильных групп. Каротиноиды масла из семян расторопши частично растворимы в этаноле, даже при концентрации 63%, а Кр при концентрации этанола 89,6% в 30,4 раза ниже, чем для р-каротипа в подсолнечном масле (табл.3.8 и рис. 3.2).
Анализ приведенных данных показывает, что при выделении токоферолов и каротиноидов в виде масляных растворов, целесообразно использовать системы; масло - водный этанол, с концентрацией этанола ниже 95%. Оптимальная концентрация этанола зависит от степени гидрофобности и соответственно Кр целевого продукта в системе: масло - этанол. Так, для Р-каротина в модельной системе достаточно снизить концентрацию этанола до 93%, а для каротиноидов семян расторопши до 70% или ниже.
Приведенные соображения относятся к модельным системам, где используется чистый водный этанол. В реальных технологических процессах, при экстракции образуются спиртовые экстракты, содержащие, помимо целевых продуктов, множество сопутствующих веществ. Присутствие последних влияет на растворимость в спиртовой фазе и, соответственно, на Кр.
Опыты по влиянию сопутствующих компонентов на Кр каротиноидов и токоферолов проведены на экстрактах витаминного сырья, полученных при соотношении сырье:этанол, равном 1:10. После отделения экстракт выдерживали не менее суток в холодильнике при температуре 0±1С, с целью выделения в осадок липидов и белково-липидной фракции. Последние затем отделяли фильтрацией, и полученный фильтрат практически не содержал масла. При определении Кр, в качестве масляной фазы использовано рафинированное подсолнечное масло "Олеина", с содержанием токоферолов 0,874 мг/г. В опытах изменяли пропорцию экстракта в спиртовой фазе, заменяя часть объема этанолом той же концентрации, тем самым изменяя концентрацию компонентов, соэкстрагированных с витаминами.
При оценке результатов данных опытов, следует учитывать, что полученные величины Кр соответствуют суммарным фракциям каротиноидов и токоферолов. И их нельзя полностью сопоставлять с результатами модельных опытов для а-токоферола и Р-каротина. На рис. 3.3 представлены данные по влиянию доли экстракта аронии черноплодной в спиртовой фазе на Кр токоферолов. Сохраняется общая закономерность: Кр при концентрации этанола 70% выше, чем при 96,5%. Присутствие сопутствующих компонентов очень сильно влияет на Кр токоферола: при увеличении доли 70% экстракта с 6,7 до 50%, Кр снижается с 17,18 до 6,59 или в 2,6 раза. Аналогично изменение Кр в экстракте с концентрацией этанола 96,5%.
На рис. 3.4 и 3.5 показано влияние доли экстракта на Кр каротиноидов и токоферолов облепихи и семян расторопши. Это влияние на Кр для витаминов различно: при увеличении доли экстракта Кр токоферолов снижается (как и в случае экстракта аронии черноплодной), а Кр каротиноидов растет. На основании приведенных данных можно сделать заключение, что при спиртовой экстракции из ягодного сырья, в экстракт переходят компоненты, повышающие растворимость токоферолов в спиртовой фазе, то есть имеющие черты структурной аналогии с токоферолами. Это могут быть сахара, органические кислоты, флавоноиды, антоцианы. Повышению растворимости токоферолов в спиртовой фазе соответствует снижение Кр в системе: масло - этанол. При наличии в спиртовой фазе веществ гидрофильного характера, таких как сахара, органические кислоты, растворимость каротиноидов снижается и соответственно возрастает их Кр в системе: масло - этанол. Эти черты поведения витаминов в спиртовых экстрактах позволяют регулировать выход каротиноидов и токоферолов в маслах, получаемых спиртовой экстракцией, а также изменять соотношение токоферолов и каротиноидов в маслах. Очевидно, что при выделении масел из концентрированных экстрактов в большей мере будут выделяться каротиноиды, а из разбавленных токоферолы. Таким образом по материалам данного раздела можно сделать следующие выводы:
1. На стадии выделения масел из спиртового экстракта целесообразно снижать концентрацию этанола в масле путем добавления воды, что повышает степень перехода витаминов в масло.
2. Необходимая степень концентрации этанола в экстракте зависит от состава витаминных комплексов и индивидуально для каждого сырья.
3. Вещества, экстрагированные спиртом из ягодного сырья, влияют на растворимость в спирте каротиноидов и токоферолов различно. Изменяя концентрацию экстракта, можно менять соотношение каротиноидов и токоферолов в масле.
Получение спиртовых экстрактов токоферолов
Процесс экстракции токоферолов исследован на таких видах сырья, как зародыши пшеницы, арония черноплодная, жом барбариса. Использованы зародыши пшеницы с масличностью 11,68% и содержанием токоферолов 8,08 мг/г СВ; ягоды рябины с содержанием токоферолов 17,32 мг/г СВ и следовой масличностью; жом калины с масличностью 5,28% и содержанием токоферолов 223 мг/г СВ.
Экстракцию проводили в течение 20 минут в точке кипения экстракционной смеси, после чего экстракт отделяли фильтрацией, выдерживали не менее суток в холодильнике при температуре 0±1С и проводили повторную фильтрацию, получая совершенно прозрачный экстракт. При экстракции использованы следующие соотношения сырья и этанола: для зародышей пшеницы 1:6, для других видов сырья 1:10.
Данные, представленные на рисунках 3.9-3.11, показывают, что максимальный выход токоферолов в осветленном экстракте для зародышей пшеницы достигается при концентрации этанола 80%, для других видов сырья при концентрации 51%. Выход токоферолов в экстракте близок к предельному, а небольшие потери объясняются механическим захватом экстрагента на стадии фильтрации. Токоферол сам по себе наиболее растворим в концентрированном этаноле. Наблюдаемый характер кривых связан со способом осветления экстракта, а также с влиянием концентрированного этанола на растворимость сопутствующих токоферолу компонентов. Из зародышей пшеницы, имеющих значимую масличность, при концентрации этанола 80% и выше экстрагируются триглицериды, кроме того максимально экстрагируется фракция спирторастворимых белков (проламинов, которые у пшеницы имеют название -глиадины, и являются преобладающей фракцией белков). В процессе вымораживания выпадает свободное масло и белково-липидная фракция. Из экстракта выходят токоферолы, растворенные в масле, и токоферолы, ассоциированные с белково-липидной фракцией. При повышении концентрации этанола увеличивается экстракция липидов и, соответственно, потери токоферолов в осветленном экстракте.
Максимальный выход токоферолов в экстракт из аронии черноплодной и барбариса, при концентрации этанола 51%, совпадает с максимумом растворимости таких сопутствующих компонентов, как антоцианы и флавоноиды. Их присутствие в растворе повышает растворимость токоферолов, имеющих с ними химическое сродство. По-видимому, этот фактор является решающим в определении характера кривых. Снижение выхода токоферолов в экстракт при более высоких концентрациях этанола, может объясняться так же, как и в случае с пшеничными зародышами.
Было определено влияние соотношения сырье:этанол на выход токоферолов в экстракт аронии черноплодной. Концентрация этанола 51%.
Достаточное количество экстрагента составляет 6 мл/г сырья. Дальнейшее увеличение количества этанола не дает существенного повышения выхода токоферолов.
С целью обоснования технологических параметров процессов получения водорастворимых форм токоферолов определили стабильность экстрактов жома барбариса. При хранении в холодильнике при температуре 0±1С в течение двух месяцев не наблюдалось снижение концентрации токоферолов.
На основании проведенных исследований как оптимальные выбраны следующие параметры экстракции: концентрация этанола для пшеничных зародышей 80%, для ягодного сырья 51%, соотношение сырье:этанол = 1:6.
Выбор оптимальных условий сорбции токоферолов на пектин
Основные параметры процесса сорбции были отработаны с использованием экстракта токоферолов из жома барбариса, а в качестве сорбента использовали пектин марки АМ-201.
Исследовали влияние концентрации этанола на сорбцию токоферола. При этом принимали во внимание следующие соображения: при высокой концентрации этанола токоферолы сорбируются слабо из-за хорошей растворимости в спирте.
По мере снижения концентрации спирта снижается и растворимость в нем токоферолов и, соответственно, должна увеличиваться удельная сорбция. С технологической точки зрения, как оптимальная, должна быть выбрана та концентрация, при которой не только имеет место высокая удельная сорбция, но можно легко отделить продукт сорбции от раствора. В таблице 6.1. представлены результаты по сорбции токоферолов при их концентрации в реакционной смеси 0,1 мг/мл и концентрации пектина 0,5 мг/мл, Реакционную смесь выдерживали в холодильнике в течение двух часов при 0С, после чего отделяли продукт сорбции.
В качестве оптимальной выбрана концентрация этанола 50%, при которой наблюдается достаточно высокий уровень сорбции, а продукт сорбции может быть легко отделен от раствора.
Определяли сорбционную емкость пектина АМ-201 при концентрации этанола 60%, пектина 0,5 мг/мл (табл, 6.2). Предельная величина удельной сорбции (около 100 мг/г пектина) наблюдается при концентрации токоферолов в реакционной смеси 0,23-0,28 мг/мл. В дальнейшем исследование сорбции проводили при концентрации токоферолов 0,2-0,3 мг/мл.
При определении влияния времени экспозиции в холодильнике при температуре 0±1С установили, что резкое увеличение удельной сорбции происходит в период от 15 минут до 1 часа, стабилизируется к 2 часам и, лишь незначительно, возрастает на третьи сутки. Поэтому в дальнейших исследованиях экспозицию проводили в течение 2 часов.
Важным технологическим фактором является концентрация сорбента в реакционной среде. Пектины являются сильно набухающими гидрофильными коллоидами, поэтому сорбция на них возможна только при их низкой концентрации. Чем выше концентрация пектина, тем выше его вязкость и соответственно ниже скорость массообменных процессов, лежащих в основе сорбционного взаимодействия пектина и токоферолов. Это рассуждение подтвернодается данными таблицы 6.3, в которой приведены результаты опыта по влиянию концентрации пектина АМ-201 на удельную сорбцию токоферолов из экстракта жома барбариса. При повышении концентрации пектина в реакционной смеси от 0,2 до 2,5 мг/мл, удельная сорбция постепенно снижается с 70,0 до 3,2 мг/г пектина.
Исходя из соображений технологической целесообразности, в качестве рабочей выбрана концентрация пектина 0,5 мг/мл реакционной смеси. При этой концентрации пектин достаточно хорошо осаждается в 50% этаноле, что позволяет легко отделить продукт сорбции от водно-спиртового раствора. Кроме того, снижение концентрации пектина приводит к резкому увеличению объема реакционной смеси и, соответственно, производственных затрат.
Токоферолы, как и другие биологически активные вещества, в природных объектах могут быть связаны с различными биополимерами. Среди этих биополимеров есть множество соединений гидрофильного характера, которые могут быть использованы как носители при получении водорастворимых форм токоферола. С целью выяснения возможности использования других гидрофильных носителей, была проверена сорбционная емкость различных марок пектина, микрокристаллической целлюлозы, альбедо апельсина и животного белка (табл. 6.4.).
На основании данных таблицы 6.4, можно сделать вывод, что наиболее высокая сорбционная емкость у животного белка. Можно полагать, что связывание токоферолов происходит за счет их взаимодействия с алифатическими цепями аминокислот гидрофобных ядер белковых молекул. Сорбционная емкость пектинов с высокой степенью этерификации (АМ-201; AJ-201; AS-507) различается незначительно, но во всех случаях превышает удельную емкость низкоэтерифицированного пектина АМ-901 А. Это связано с более упорядоченной . , спиральной структурой высокоэтерифицированных пектинов, которая существенна для образования комплексов включения токоферолов.
Альбедо апельсина связывает токоферолы, как путем образования комплексов включения в пектин, так и за счет гидрофобного взаимодействия с лигнином. Альбедо апельсина, обладая более низкой сорбционной емкостью, чем пектин, может быть использовано как более дешевый сорбент. Возможно, сорбиионная емкость альбедо апельсина повысится при тонком помоле (в лабораторных опытах нам не удалось достичь достаточной степени измельчения сорбента).
Относительно невысокая сорбционная емкость образцов микрокристаллической целлюлозы не препятствует их использованию, как носителей токоферолов. Микрокристаллическая целлюлоза вводится в состав многих пищевых продуктов в качестве пищевого волокна, и с ее помощью токоферолы могут быть введены, например, в различные хлебобулочные и кондитерские изделия.
При использовании различных сорбентов, нужно учитывать не только их сорбционную емкость, но и возможность контролирования содержания токоферолов в продуктах сорбции.
Были проведены исследования методического характера с целью разработки способа оценки количества токоферолов в продукте сорбции. Для этого необходимо было выявить условия перехода токоферолов из связанного состояния в раствор, где их концентрация может быть определена непосредственно.
При разработке способа перехода токоферолов из сорбата на пектине в спиртовой раствор было установлено, что степень перехода зависит от способа растворения сорбата в воде (с нагревом или без него), способов обработки полученного раствора до и после внесения этанола. Результаты, приведенные в табл. 6.5, показывают, что существенными операциями являются: прогревание сорбата в процессе его перевода в водный раствор, добавление в полученный раствор уксусной кислоты и прогревание подкисленного раствора перед добавлением этанола. Оптимальным можно считать следующий вариант: прогревание раствора сорбата в течение 10-12 минут при 80-90С, добавление в полученный раствор уксусной кислоты до ее концентрации 0.8-1,6% и повторное прогревание. Перевод в спиртовой раствор осуществляется во всех случаях путем добавления 3 объемов концентрированного этанола, экспозиции 10-15 минут в точке кипения и отделения полученного раствора в этаноле от пектина с помощью фильтрации.
Оптимальный вариант обеспечивает полный переход токоферолов в спиртовой раствор.
