Исследование технологических методов экстракции инулина из корней обыкновенного цикория (Cichorium intybus L.)

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

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: 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: 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.

1. Андреева, 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/10.36718/1819-4036-2020-10-181-189

2. 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.

3. 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.2023.4.4.010

4. Вьютнова, О.М., & Новикова, И.А. (2019). Химический состав корнеплодов цикория. Овощи России, (1), 83-85. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2019-1-83-85

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Титова, Л.М., & Алексанян, И.Ю. (2016). Технология инулина: основные тенденции развития отрасли и спорные вопросы. Пищевая промышленность, (1), 46-51.

10. Широков, Е.П. (1985). Практикум по технологии хранения и переработки плодов и овощей. Москва: Агропромиздат.

11. 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.2023.100443

12. 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.2017.04.016

13. Demirci, 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.2023.109565

14. Jiang, 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.2023.109578

15. Kanakasabai, 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.2023.04.246

16. Laurenzo, K. S., Navia, J. L., & Neiditch, D. S. (1999). Preparation of inulin products: U.S. Pat. 5968365.

17. Lingyun, 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.2006.03.028

18. Mangguali, 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/20249601031

19. Milic, 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/foods11030325

20. Ozcan, 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.2024.134007

21. Özcan, 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/fsn3.3775

22. 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.

23. 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.2021.113726

24. Ruiz-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.2015.10.046

25. 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.

26. 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.2020.117042

27. Toneli, 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/S0104-66322008000300004

28. 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/B978-0-12-809380-1.00007-3

29. Zhang, 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.2c00302

30. 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.2015.12.023