Кінетичне поліпшення вилучення біоактивних сполук з червоного винограду (Vitis vinifera Moldova) шляхом ультразвукової обробки

Анотація

Виноградні вичавки з червоного сорту винограду (Vitis vinifera Moldova), культивованих у північно-східному регіоні Румунії, вивчали як джерело для вилучення загального мономерного антоціану (ТМА) та загального вмісту фенолу (ТФК) за допомогою ультразвукової обробки. Описаний тут спосіб екстракції використовує два різні розчинники, а саме 2-пропанол і метанол. Для кожного з екстракційних розчинників ми оцінили особливий вплив та вплив взаємодії між параметрами процесу (концентрацією розчинника, ультразвуковою частотою, температурою та часом екстракції) на вихід екстракції антоціанів та фенольних сполук. Методологія реакційної поверхні була реалізована за допомогою конструкції Бокса – Бенкена для оптимізації вилучення ТМА та ТРС із виноградних вичавок. Згідно з оптимізацією, для досягнення найвищого виходу ТПК (62,487 мг еквівалента галової кислоти (GAE)/г (d = 1,0)) необхідні такі умови: розчинник - 2 пропанол, концентрація розчинника 50%, температура - 50 ° C та час витяжки 29,6 хв.

1. Вступ

Виноград (рід Vitis) є однією з найбільш широко оброблюваних плодових культур у світі, застосовується у харчовій промисловості від виробництва соків, вина, варення, желе, родзинок та оцту до видобутку олії з виноградних кісточок. За підрахунками, близько 80% урожаю винограду використовується у виноробній галузі [1]. Виробництво та споживання вина традиційно зосереджувалося на європейському континенті, і в ньому продовжують домінувати три основні європейські виробники: Італія, Франція та Іспанія. З моменту свого головного падіння у 2012 р. [2], глобальне виробництво вина зросло до 275,7 Млл в 2015 р., З незначним зростанням на 2% порівняно з попереднім роком [3]. Як і можна було очікувати, така велика галузь пов'язана з виробництвом значної кількості твердих і рідких відходів. Тверді відходи включають виноградні плодоніжки (2,5–7,5%), виноградні вичавки (до 25–45%) та виноградні кісточки (3–6%) [4]. Тільки в європейських країнах, за підрахунками, виноробна промисловість щорічно виробляє 14,5 млн. Тонн виноградних побічних продуктів [5,6].

Виноградні вичавки є основними відходами виноробні, і це відбувається в процесі виноробства під час виробництва виноградного сусла шляхом подрібнення цілого винограду. Повідомляється, що виноградні вичавки, що складаються з шкірок та насіння, становлять приблизно від 25% до 30% від використовуваного винограду [7,8]. Повідомлений вміст насіння у виноградних вичавках коливається від 7–20% до більшої частки 38–52% [9,10]. Щодо хімічного складу виноградних вичавок, кілька досліджень повідомляли про вміст у білках, клітковині, олії та цукрах побічного продукту [11,12,13,14]. Завдяки високому вмісту клітковини, виноградні вичавки використовують як кормову добавку [15]. Інші повторні використання, описані для цих відходів виноробні, є сировиною для виробництва алкогольних напоїв та добрив, а також на лікеро-горілчаних заводах для отримання етанолу [16,17,18].

У цій роботі ми вивчаємо вплив різних умов екстракції, а саме температури екстракції, частоти ультразвуку, концентрації розчинника та часу обробки ультразвуком, на вміст в антоціанах та фенольних сполуках екстрактів виноградних вичавок, отриманих при обробці червоного винограду місцевого сорту. (Vitis vinifera Молдова) в лабораторних масштабах. Зміни, індуковані у складі екстракту як ефект варіацій робочих змінних, кількісно визначали шляхом вимірювання TMA та TPC екстрактів, а для характеристики екстрактів використовували спектроскопію КРС.

2. Матеріали та методи

2.1. Матеріали та хімікати

Червоний виноград (Vitis vinifera Moldova) був придбаний у місті Сучава (Румунія) у 2015 р. Виноградні вичавки (після вилучення соку) подавались на процес сушіння при температурі 40 ° C у печі, поки вона не стала постійною вагою. Потім висушені виноградні вичавки подрібнювали до отримання дрібного порошку.

Всі хімічні реагенти - метанол, 2-пропанол, карбонат натрію та реагент Фолін – Чіокалто - були аналітичного класу і придбані у Sigma-Aldrich (Гамбург, Німеччина).

2.2. Техніка видобутку

3 г порошку висушених виноградних вичавок змішували з 30 мл розчинника (метанол або 2-пропанол у різних концентраціях з водою 50% (об/об), 70% (об/об) і 90% (об/об), відповідно). Ультразвукова процедура була прямою за допомогою ультразвукового перетворювача, поєднаного з генератором функцій (HAMEG 8150, Мюнхен, Німеччина), і частота вимірювалася з трьома різними частотами (таблиця 1). Зразки екстрагували при трьох різних температурах (50, 60 та 70 ° C) протягом 15 хв, 30 хв та 45 хв відповідно.

Таблиця 1

Рівні повних факторних експериментів для ТМА та ТРС з виноградних вичавок.

Коефіцієнт − 101

Концентрація (%), С	50	70	90
Ультразвукова частота (кГц), U	12.5	25	37,5
Температура (° С), Т	50	60	70
Час (хв), т	15	30	45

2.3. Визначення загального мономерного антоціану

Загальний вміст мономерного антоціану (ТМА) в екстракті виноградних вичавок визначали за допомогою спектрофотометричного методу, розробленого Рабіно та Манчінеллі [43]. Для спектральних вимірювань при 657 нм та 530 нм використовували спектрофотометр UV-VIS (Ocean Optics, Largo, FL, USA).

Вміст ТМА виражали у ціаніндин-3-глюкозиді (мг/г), використовуючи таке рівняння:

2.4. Загальний фенольний вміст

Загальний вміст фенолів у сирих екстрактах вимірювали за допомогою колориметричного аналізу на основі реагенту Фолін-Ціокальтеу (ФК), як описано Сінглтоном та Россі [44]. Значення ТРС виражали у мг галоїнової кислоти в еквіваленті (GAE)/г [45] на екстрактній вологій основі. Калібрувальну криву проводили з використанням галової кислоти при концентраціях 0,5, 1, 2, 3, 4, 5 та 10 мг/л з коефіцієнтом регресії 0,995.

2.5. Аналіз спектру КРС

Спектри екстрактів виноградних вичавок реєстрували за допомогою спектрометра i-Raman (EZM-A2-785L, B&W TEK Inc., Newark, DE, США), оснащеного волоконно-оптичним зондом Raman; спектр реєстрували від 2600 - 175 см -1. Зразки сканували з кроком 10 нм. Час інтеграції становив 15 с. Для відображення спектрів екстракту було використано програмне забезпечення Spekwin32-оптична спектроскопія (Версія 1.72.2, 2016, http://www.effemm2.de/spekwin/).

2.6. Статистичний аналіз

2.6.1. Аналіз дисперсії

Багатофакторний дисперсійний аналіз (ANOVA) застосовували для виявлення відмінностей у виході екстракції загального вмісту фенолу та загальних мономерних антоціанів із змінами параметрів процесу, а саме екстракційного розчинника, концентрації розчинника, ультразвукової частоти, температури та часу екстракції. Аналізи проводили за допомогою Unscrambler X 10.1 (Камо, Осло, Норвегія). Вважалося, що відмінності є суттєвими на р. 4 Повний факторний експеримент був проведений для використовуваних розчинників (2-пропанолу та метанолу) з 4 факторами (ультразвукова частота, температура, концентрація розчинника та час), кожен з яких змінювався на 3 рівні, як представлено у Таблиця 1. Вхідними змінними конструкції були TMA та TPC. Дизайн виконано за допомогою Design Expert 10.0.3.1 (пробна версія, Міннеаполіс, Міннесота, США).

Це була конструкція Бокса-Бенкена, заснована на моделі поверхні поліноміального відгуку другого порядку (квадратична) з використанням наступного рівняння:

де: y - прогнозована відповідь (TMA або TPC), xi означає кодовані рівні проектної змінної (концентрація розчинника, час, температура та ультразвукова частота; таблиця 1), b0 - константа, bi - лінійні ефекти, bii представляє квадратичні ефекти, а bij представляє ефекти взаємодії.

Параметри були оптимізовані для досягнення найвищої концентрації ТМА та ТРС з використанням підходу до функції бажаності [46].

3. Результати та обговорення

3.1. Вплив параметрів вилучення на вихід TMA та TPC

Потім цільові сполуки екстрагували ультразвуком з двома різними розчинниками, а саме 2-пропанолом та метанолом. Вплив виділення екстракційного розчинника на вихід екстракції додатково вивчали, змінюючи концентрацію розчинника та реєструючи зміни розчинності фенольних речовин та антоціанів. Подібним чином досліджували ефект підвищення температури екстракції та продовження часу обробки ультразвуком. Вплив параметрів TMA і TPC представлений у таблиці 2, а взаємодія між параметрами вилучення - у таблиці 3 .

Таблиця 2

Аналіз дисперсії TMA та TPC як функції ультразвукової частоти, типу розчинника, концентрацій, температур та часу.

Параметр TMA (мг/г) –Середні значенняТПК (мг/г) –Середні значення

Тип розчинника	2-пропанол	5.37	42,54
Тип розчинника	Метанол	4.58	46,53
F-коефіцієнт ANOVA	215,32 ***	158,92 ***
Концентрація розчинника (%)	50	5.40	45,72
	70	5.01	44,65
	90	4.51	43.24
F-коефіцієнт ANOVA	92,78 ***	20,72 ***
Ультразвукова частота (кГц)	12.5	4.92	43,52
	25,0	6.03	48,92
	37,5	3.97	41.17
F-коефіцієнт ANOVA	493,90 ***	210,32 ***
Температура (° C)	50	5.08	48,76
	60	5.17	45.05
	70	4.68	39,80
F-коефіцієнт ANOVA	31,88 ***	269,92 ***
Час (хв)	15	4.84	43,38
	30	5.24	48,18
	45	4.84	42.05
F-коефіцієнт ANOVA	24,73 ***	138,47 ***

*** p 0,05, * p Таблиця 2 показує, що 2-пропанол давав вищий урожай екстракції загального мономерного антоціану (середня концентрація 5,37 мг/г виноградних вичавок) порівняно з метанолом (в середньому 4,58 мг/г). Як результат, вибір екстракційного розчинника суттєво вплинув на вихід екстракції ТМА (р 2) у порівнянні з 2-пропанолом (23,3 мДж/см2) [51]. Для того самого сорту червоного винограду (Vitis vinifera Moldova) Будіул та Альбулеску [52] повідомили загальний вміст фенолу 1164,3 мг/л для екстракції Сокслета метанолом та 1562,75 мг/л для екстракції сумішшю MeOH: H2O: HCl ( 90: 9,5: 0,5, об/об). Дросу та ін. [53] раніше показали, що екстракція виноградних вичавок за допомогою ультразвуку призводить до більших виходів фенольних сполук, ніж екстракція Сокслета в етанолі або воді. Отже, при ультразвуковій обробці слід очікувати значного збільшення врожаю екстракції.

3.1.2. Ультразвукова частота

3.1.3. Температура та час

Як уже згадувалося раніше, час є ще одним важливим фактором вилучення фенольних сполук. У цьому дослідженні час екстракції поступово збільшували наступним чином: 15 хв, 30 хв і 45 хв. Таким чином, період вилучення, необхідний для досягнення максимального виходу загальних мономерних антоціанів та загальних фенольних сполук із виноградних вичавок, становив близько 30 хв. Збільшення вилучення цільових сполук при тривалому обробці ультразвуком було відзначено численними дослідниками, і це було пов’язано з тим, що ультразвукові хвилі впливають на швидкість масообміну переважно на стадії проникнення розчинника [63,64]. Гонсалес-Сентено та ін. [65] вивчав водну екстракцію антиоксидантів з виноградних вичавок за допомогою ультразвуку, щоб дослідити вплив акустичної частоти, щільності ультразвукової потужності та часу екстракції. Щодо часу вилучення, дослідники повідомили, що оптимальні умови передбачають обробку ультразвуком 25 хв. Гафур та ін. [66] оптимізував змінні технологічного процесу ОАЕ антоціанів, фенольних сполук та антиоксидантів з кісточок винограду, отримавши для рівня екстракції близько 30 хв, наступним чином: 29,03 хв для фенольних сполук, 30,58 хв для антиоксидантів та 29,49 для антоціанів.