spfpХранение и переработка сельхозсырьяStorage and Processing of Farm Products2072-96692658-767XРОСБИОТЕХ10.36107/spfp.2024.4.597spfp-597Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИPHYSICAL AND CHEMICAL METHODS OF FARM RAW MATERIAL PROCESSINGИсследование технологических методов экстракции инулина из корней обыкновенного цикория (Cichorium intybus L.)Research on Technological Methods for Extracting Inulin from Common Chicory Roots (Cichorium Intybus L.)https://orcid.org/0000-0002-4093-9982НугмановАльберт Хамед-ХарисовичNugmanovAlbert Kh.-Kh.nugmanov@rgau-msha.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5678-1975БакинИгорь АлексеевичBakinIgor A.

д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов перерабатывающих производств

7771-9017

bakin_ia@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4895-7226МустафинаАнна СабирдзяновнаMustafinaAnna S.mustafina@rgau-msha.ruШаповаловаПолина НиколаевнаShapovalovaPolina N.shapovalova@rgau-msha.ruРоссийский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.ТимирязеваRussian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy2024301220243243344Copyright © Нугманов А.Х., Бакин И.А., Мустафина А.С., Шаповалова П.Н., 20242024Нугманов А.Х., Бакин И.А., Мустафина А.С., Шаповалова П.Н.Nugmanov A.K., Bakin I.A., Mustafina A.S., Shapovalova P.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.spfp-mgupp.ru/jour/article/view/597Введение

Введение: Корни цикория (Cichorium intybus L.) являются ценным источником биоактивных компонентов, таких как инулин, которые широко используются в производстве обогащенных продуктов питания. Однако традиционные методы водной экстракции, основанные на настаивании, характеризуются длительным временем обработки и низкой эффективностью. Выбор оптимальных параметров экстракции представляет собой сложную задачу, которую можно эффективно решить с помощью методов математического моделирования.

Цель

Цель: Целью исследования было изучение и оптимизация технологических параметров экстракции компонентов из корней обыкновенного цикория (Cichorium intybus L.) с использованием микроволновой обработки.

Материалы и методы

Материалы и методы: Объектом исследования были корни цикория сорта Ярославский 1 (Cichorium intybus L. var. sativum DC.). Для характеристики использовались стандартные аналитические методы. Определение нестационарных концентрационных полей в растительном сырье проводилось путем решения модифицированного уравнения Лысанова В.М. с использованием численных методов.

Результаты

Результаты: В ходе исследования установлено, что при традиционном настаивании концентрация целевых веществ в экстракте достигала 5,92 ± 0,01% через 185 минут. При дополнительном микроволновом воздействии мощностью 180 Вт сопоставимые значения концентрации были достигнуты за 7 минут. Расчет параметров модели массообмена показал увеличение коэффициента молекулярной диффузии до 5,535 × 10⁻¹¹ м²/с, что привело к 25-кратному ускорению диффузии целевых компонентов.

Заключение

Заключение: Применение микроволновой обработки значительно повышает эффективность экстракции биоактивных соединений из корней цикория, существенно сокращая время обработки. Адаптированная модель массообмена и её графические решения предоставляют надежную основу для определения оптимальных параметров процесса экстракции.

Introduction

Introduction: Chicory roots (Cichorium intybus L.) are a valuable source of bioactive components, such as inulin, which are widely utilized in the production of enriched food products. However, traditional water extraction methods based on infusion are characterized by lengthy processing times and low efficiency. The selection of optimal extraction parameters represents a complex problem that can be effectively addressed using mathematical modeling techniques.

Purpose

Purpose: To investigate and optimize the technological parameters of component extraction from common chicory roots (Cichorium intybus L.) using microwave-assisted treatment.

Materials and Methods

Materials and Methods: The research utilized chicory roots of the Yaroslavsky 1 variety (Cichorium intybus L. var. sativum DC.). Standard analytical methods were employed for characterization. The determination of non-stationary concentration fields in plant raw materials was performed by solving the modified Lysanov V.M. equation using numerical approaches.

Results

Results: The findings revealed that during traditional infusion, the concentration of target compounds in the extract reached 5.92 ± 0.01% after 185 minutes. In contrast, the application of microwave irradiation at 180 W enabled the achievement of comparable concentrations within just 7 minutes. Parameter estimation for the mass transfer model indicated that the molecular diffusion coefficient increased to 5.535 × 10⁻¹¹ m²/s, resulting in a 25-fold acceleration of diffusion processes for the target components.

Conclusion

Conclusion: Microwave-assisted extraction significantly enhances the efficiency of bioactive compound recovery from chicory roots, drastically reducing processing time. The adapted mass transfer model and its graphical solutions provide a robust framework for determining the optimal parameters for the extraction process.

корни цикорияCichorium intybus L.инулинмикроволновая экстракциямодель массообменакоэффициент молекулярной диффузиибиоактивные соединенияоптимизация экстракцииобогащенные продукты питанияchicory rootsCichorium intybus L.inulinmicrowave-assisted extractionmass transfer modelmolecular diffusion coefficientbioactive compoundsextraction optimizationenriched food productsИсследование выполнено при финансовой поддержке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева по гранту «Разработка технологических приемов и сверхкритических методов получения растительных экстрактов сельскохозяйственного сырья» по Программе «Приоритет-2030» (соглашение № 075-15-2023-220 от 16 февраля 2023 года)ReferencesАндреева, Е.В., Евсеева, С.С., Алексанян, И.Ю., & Нугманов, А.Х.Х. (2020). Определение характеристик плодово-ягодного сырья и промежуточных продуктов технологии пигментных экстрактов. Вестник КрасГАУ, 10(163), 181-189. https://doi.org/10.36718/1819-4036-2020-10-181-189Andreeva, E.V., Evseeva, S.S., Aleksanyan, I.Yu., & Nugmanov, A.H.H. (2020). Characterization of fruit and berry raw materials and intermediate products of pigment extract technology. Bulletin of KrasGAU, 10 (163), 181-189. (In Russ.)Бакин, И.А., Мустафина, А.С., Алексенко, Л.А., & Лунин, П.Н. (2014). Исследование технологических процессов получения экстрактов ягод черной смородины. Вестник КрасГАУ, 12(99), 227-230.Bakin, I.A., Mustafina, A.S., Aleksenko, L.A., & Lunin, P.N. (2014). Research of technological processes for obtaining extracts of black currant berries. Bulletin of KrasGAU, 12 (99), 227-230. (In Russ.)Бызов, В.А., Пучкова, Т.С., & Пихало, Д.М. (2023). Оценка показателей качества клубней топинамбура для переработки на инулин и его производные. Пищевая промышленность, (4), 58-62. https://doi.org/10.52653/PPI.2023.4.4.010Byzov, V.A., Puchkova, T.S., & Pikhalo, D.M. (2023). Assessment of the quality indicators of jerusalem artichoke tubers for processing into inulin and its derivatives. Food Industry, (4), 58-62. (In Russ.)Вьютнова, О.М., & Новикова, И.А. (2019). Химический состав корнеплодов цикория. Овощи России, (1), 83-85. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2019-1-83-85Gulyuk, N.G., Lukin, N.D., Puchkova, T.S., Pikhalo, D.M., & Gulakova, V.A. (2017). On the purification of extract from inulin-containing raw materials. Food Industry, (2), 24-26. (In Russ.)Гулюк, Н.Г., Лукин, Н.Д., Пучкова, Т.С., Пихало, Д.М., & Гулакова, В.А. (2017). Об очистке экстракта из инулинсодержащего сырья. Пищевая промышленность, (2), 24-26.Gulyuk, N.G., Puchkova, T.S., Pikhalo, D.M., Gulakova, V.A., & Kovalenok, V.A. (2014). Investigation of the inulin diffusion process from Jerusalem artichoke tubers. Achievements of science and technology of the agroindustrial complex, (12), 67-69. (In Russ.)Гулюк, Н.Г., Пучкова, Т.С., Пихало, Д.М., Гулакова, В.А., & Коваленок, В.А. (2014). Исследование процесса диффузии инулина из клубней топинамбура. Достижения науки и техники АПК, (12), 67-69.Danilin, S.I., Rodionov, Yu.Yu., Rodionov, Yu.V., Chumikov, Yu.A., & Skomorokhova, A.I. (2020). Improving the technology of obtaining powders from vegetable raw materials. Technologies of the food and processing industry of the agro–industrial complex-healthy food products, (4), 150-159. (In Russ.)Данилин, С.И., Родионов, Ю.Ю., Родионов, Ю.В., Чумиков, Ю.А., & Скоморохова, А.И. (2020). Совершенствование технологии получения порошков из растительного сырья. Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК–продукты здорового питания, (4), 150-159.Kaishev, V.G., Lukin, N.D., Seregin, S.N., & Kornienko, A.V. (2018). The inulin market in Russia: opportunities for the development of the raw material base and the necessary resources to create modern domestic production. Food Industry, (5), 8-17. (In Russ.)Кайшев, В.Г., Лукин, Н.Д., Серегин, С.Н., & Корниенко, А.В. (2018). Рынок инулина в России: возможности развития сырьевой базы и необходимые ресурсы для создания современного отечественного производства. Пищевая промышленность, (5), 8-17.Titova, L.M., & Aleksanyan, I.Yu. (2016). Inulin technology: the main trends in the development of the industry and controversial issues. Food Industry, (1), 46-51. (In Russ.)Титова, Л.М., & Алексанян, И.Ю. (2016). Технология инулина: основные тенденции развития отрасли и спорные вопросы. Пищевая промышленность, (1), 46-51.Shirokov, E.P. (1985). Workshop on technology of storage and processing of fruits and vegetables. Moscow: Agropromizdat, 192. (In Russ.)Широков, Е.П. (1985). Практикум по технологии хранения и переработки плодов и овощей. Москва: Агропромиздат.Ankan, K., Yograj, B., Anchal, A., Samandeep, K., Yogesh, K., & Rachna, S. (2023). Utilization of inulin as a functional ingredient in food: Processing, physicochemical characteristics, food applications, and future research directions. Food Chemistry Advances, 3, 100443. https://doi.org/10.1016/j.focha.2023.100443Ankan, K., Yograj, B., Anchal, A., Samandeep, K., Yogesh, K., & Rachna, S. (2023). Utilization of inulin as a functional ingredient in food: Processing, physicochemical characteristics, food applications, and future research directions. Food Chemistry Advances, 3, 100443. https://doi.org/10.1016/j.focha.2023.100443Chemat, F., Rombaut, N., Meullemiestre, A., Turk, M., Perino, S., Fabiano-Tixier, A.-S., & Abert-Vian, M. (2017). Review of Green Food Processing techniques. Preservation, transformation, and extraction. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 41, 357-377. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2017.04.016.Chemat, F., Rombaut, N., Meullemiestre, A., Turk, M., Perino, S., Fabiano-Tixier, A.-S., & Abert-Vian, M. (2017). Review of green food processing techniques: Preservation, transformation, and extraction. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 41, 357–377. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2017.04.016Demirci, K., Zungur-Bastıoğlu, A., Görgüç, A., Bayraktar, B., Yılmaz, S., & Yılmaz, F. M. (2023) Microwave irradiation, evolutionary algorithm and ultrafiltration can be exploited in process intensification for high-purity and advanced inulin powder production. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 194, 109565. https://doi.org/10.1016/j.cep.2023.109565Demirci, K., Zungur-Bastıoğlu, A., Görgüç, A., Bayraktar, B., Yılmaz, S., & Yılmaz, F. M. (2023). Microwave irradiation, evolutionary algorithm and ultrafiltration can be exploited in process intensification for high-purity and advanced inulin powder production. Chemical Engineering and Processing—Process Intensification, 194, 109565. https://doi.org/10.1016/j.cep.2023.109565Jiang, X., Sotowa, K.-I., Tonomura, O., & Oh, T.H. (2023). Investigation of mass transfer in valve-controlled gas–liquid segmented flow, Chemical Engineering and Processing. Process Intensification, 194, 109578. https://doi.org/10.1016/j.cep.2023.109578Jiang, X., Sotowa, K.-I., Tonomura, O., & Oh, T. H. (2023). Investigation of mass transfer in valve-controlled gas–liquid segmented flow. Chemical Engineering and Processing—Process Intensification, 194, 109578. https://doi.org/10.1016/j.cep.2023.109578Kanakasabai, P., Sivamani, S., Banerjee, S., Vijay, P., & Thirumavalavan, K. (2023). Identification of optimal conditions for the extraction of inulin from chicory. Materials Today: Proceedings, 92 (2), 737-741. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.04.246Kanakasabai, P., Sivamani, S., Banerjee, S., Vijay, P., & Thirumavalavan, K. (2023). Identification of optimal conditions for the extraction of inulin from chicory. Materials Today: Proceedings, 92(2), 737–741. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.04.246Laurenzo, K. S., Navia, J. L., & Neiditch, D. S. (1999). Preparation of inulin products: U.S. Pat. 5968365.Laurenzo, K. S., Navia, J. L., & Neiditch, D. S. (1999). Preparation of inulin products: U.S. Pat. 5968365.Lingyun, W., Jianhua, Wang., Xiaodong, Z., Da, T., Yalin, Y., Chenggang, C., Tianhua, F., & Fan, Z. (2007). Studies on the extracting technical conditions of inulin from Jerusalem artichoke tubers. Journal of Food Engineering, 79 (3), 1087-1093. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2006.03.028Lingyun, W., Jianhua, W., Xiaodong, Z., Da, T., Yalin, Y., Chenggang, C., Tianhua, F., & Fan, Z. (2007). Studies on the extracting technical conditions of inulin from Jerusalem artichoke tubers. Journal of Food Engineering, 79(3), 1087–1093. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2006.03.028Mangguali, M., Meta, M. & Syarifuddin, A. (2024). Study of Inulin Content and Extractions Methods in Several Types of Tubers: Review Paper. BIO Web of Conferences, 96, 01031. https://doi.org/10.1051/bioconf/20249601031Mangguali, M., Meta, M., & Syarifuddin, A. (2024). Study of inulin content and extraction methods in several types of tubers: Review paper. BIO Web of Conferences, 96, 01031. https://doi.org/10.1051/bioconf/20249601031Milic, A., Daniˇcic, T., Tepic Horecki, A., Šumic, Z., Teslic, N., Bursac Kovaˇcevic, D., Putnik, P., & Pavlic, B. (2022). Sustainable Extractions for Maximizing Content of Antioxidant Phytochemicals from Black and Red Currants. Foods, 11, 325. https://doi.org/10.3390/ foods11030325Milic, A., Daničić, T., Tepić Horecki, A., Šumić, Z., Teslić, N., Bursać Kovačević, D., Putnik, P., & Pavlić, B. (2022). Sustainable extractions for maximizing content of antioxidant phytochemicals from black and red currants. Foods, 11, 325. https://doi.org/10.3390/foods11030325Ozcan, B.E., Tetik, N., & Aloglu, H.S. (2024). Polysaccharides from fruit and vegetable wastes and their food applications: A review. Int J Biol Macromol. 276(2), 134007. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134007Ozcan, B. E., Tetik, N., & Aloglu, H. S. (2024). Polysaccharides from fruit and vegetable wastes and their food applications: A review. International Journal of Biological Macromolecules, 276(2), 134007. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134007Özcan, F.Ş., Dikmen, H., Özcan, N., Çetin, Ö., Çelik, M., & Trendafilova, A. (2024). Microwave-assisted extraction optimization of sesquiterpene lactones from Inula helenium roots: A sustainable approach to reduce energy consumption and carbon footprint. Food Science & Nutrition, 12 (1), 255-267. https://doi.org/10.1002/fsn3.3775Özcan, F. Ş., Dikmen, H., Özcan, N., Çetin, Ö., Çelik, M., & Trendafilova, A. (2024). Microwave-assisted extraction optimization of sesquiterpene lactones from Inula helenium roots: A sustainable approach to reduce energy consumption and carbon footprint. Food Science & Nutrition, 12(1), 255–267. https://doi.org/10.1002/fsn3.3775Petkova, N. T., Sherova, G., & Denev, P. P. (2018). Characterization of inulin from dahlia tubers isolated by microwave and ultrasound-assisted extractions. International Food Research Journal, 25(5), 1876-1884.Petkova, N. T., Sherova, G., & Denev, P. P. (2018). Characterization of inulin from dahlia tubers isolated by microwave and ultrasound-assisted extractions. International Food Research Journal, 25(5), 1876–1884.Redondo-Cuenca, A., Herrera-Vázquez, S. E., Condezo-Hoyos, L., Gómez-Ordóñez, E., & Rupérez, P. (2021). Inulin extraction from common inulin-containing plant sources. Industrial Crops and Products, 170, 113726. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113726Redondo-Cuenca, A., Herrera-Vázquez, S. E., Condezo-Hoyos, L., Gómez-Ordóñez, E., & Rupérez, P. (2021). Inulin extraction from common inulin-containing plant sources. Industrial Crops and Products, 170, 113726. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113726Ruiz-Aceituno L., García-Sarrió, M.J., Alonso-Rodriguez, B., Ramos, L., & Sanz M.L. (2016). Extraction of bioactive carbohydrates from artichoke (Cynara scolymus L.) external bracts using microwave assisted extraction and pressurized liquid extraction. Food Chem, (196), 1156-1162. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.10.046Ruiz-Aceituno, L., García-Sarrió, M. J., Alonso-Rodriguez, B., Ramos, L., & Sanz, M. L. (2016). Extraction of bioactive carbohydrates from artichoke (Cynara scolymus L.) external bracts using microwave-assisted extraction and pressurized liquid extraction. Food Chemistry, 196, 1156–1162. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.10.046Saengthongpinit, W., & Sajjaanantakul, T. (2005). Influence of harvest time and storage temperature on characteristics of inulin from Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) tubers. Postharvest biology and Technology, 37(1), 93-100.Saengthongpinit, W., & Sajjaanantakul, T. (2005). Influence of harvest time and storage temperature on characteristics of inulin from Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) tubers. Postharvest Biology and Technology, 37(1), 93–100.Sarkar, R., Bhowmik, A., Kundu, A., Dutta, A., Nain, L., Chawla, G., & Saha, S. (2021). Inulin from Pachyrhizus erosus root and its production intensification using evolutionary algorithm approach and response surface methodology. Carbohydr Polym, 1(251), 117042. https://doi.org/ 10.1016/j.carbpol.2020.117042.Sarkar, R., Bhowmik, A., Kundu, A., Dutta, A., Nain, L., Chawla, G., & Saha, S. (2021). Inulin from Pachyrhizus erosus root and its production intensification using evolutionary algorithm approach and response surface methodology. Carbohydrate Polymers, 251, 117042. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117042ToneliI, J.T. C. L., ParkI, K. J., Ramalho, J. R. P., Murr, F. E. X., & Fabbro, I. M. D. (2008). Rheological characterization of chicory root (Cichorium intybus L.) inulin solution. Brazilian Journal of Chemical Engineering, (25), 461-471. https://doi.org/10.1590/S0104-66322008000300004Toneli, J. T. C. L., Park, K. J., Ramalho, J. R. P., Murr, F. E. X., & Fabbro, I. M. D. (2008). Rheological characterization of chicory root (Cichorium intybus L.) inulin solution. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 25, 461–471. https://doi.org/10.1590/S0104-66322008000300004Tsubaki, S., Onda, A., Hiraoka, M., Fujii, S., Azuma, Ju., & Wada, Yu. (2017). Chapter 7 - Microwave-Assisted Water Extraction of Carbohydrates from Unutilized Biomass. Water Extraction of Bioactive Compounds, Elsevier, 199-219. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809380-1.00007-3.Tsubaki, S., Onda, A., Hiraoka, M., Fujii, S., Azuma, J., & Wada, Y. (2017). Microwave-assisted water extraction of carbohydrates from unutilized biomass. In Water Extraction of Bioactive Compounds (pp. 199–219). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809380-1.00007-3Zhang, X., Zhu, X., Shi, X., Hou, Y., &Yi, Y. (2022). Extraction and Purification of Inulin from Jerusalem Artichoke with Response Surface Method and Ion Exchange Resins. ACS Omega, 7 (14), 12048-12055. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c00302Zhang, X., Zhu, X., Shi, X., Hou, Y., & Yi, Y. (2022). Extraction and purification of inulin from Jerusalem artichoke with response surface method and ion exchange resins. ACS Omega, 7(14), 12048–12055. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c00302Zhenzhou, Z., Jingren, He, Gang, L., Francisco, J., , Mohamed, B., , Luhui, K., Ding, O., Bals, N., & Vorobiev, E. (2016). Recent insights for the green recovery of inulin from plant food materials using non-conventional extraction technologies: A review. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 33(47). https://doi.org/10.1016/j.ifset.2015.12.023.Zhenzhou, Z., He, J., Gang, L., Francisco, J., Mohamed, B., Luhui, K., Ding, O., Bals, N., & Vorobiev, E. (2016). Recent insights for the green recovery of inulin from plant food materials using non-conventional extraction technologies: A review. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 33, 47. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2015.12.023Zhenzhou, Z., He, J., Gang, L., Francisco, J., Mohamed, B., Luhui, K., Ding, O., Bals, N., & Vorobiev, E. (2016). Recent insights for the green recovery of inulin from plant food materials using non-conventional extraction technologies: A review. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 33, 47. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2015.12.023

The authors declare that there are no conflicts of interest present.