INVESTIGATION OF THE IMPACT OF EXTRACTION METHODS ON THE PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF INULIN WATER EXTRACT FROM JERUSALEM ARTICHOKE

АННОТАЦИЯ

Данное исследование посвящено оценке влияния различных методов экстракции на физико-химические свойства водного экстракта инулина из клубней топинамбура. Были изучены традиционный метод (гидромодуль 1:14, 90 °C, 90 мин.) и ультразвуковая обработка (гидромодуль 1:10, 70 °C, 60 мин., 40 кГц). Ультразвуковая обработка увеличила содержание углеводов (с 4,6 % до 6 % в начальном экстракте) и инулина (с 2,5 % до 3,9 %), что подтверждает её эффективность. Показатели поверхностного натяжения и вязкости подтверждают высокую активность экстракта для стабилизации эмульсий. Исследование подчеркивает перспективы применения ультразвуковых экстрактов в пищевой промышленности.

ABSTRACT

This study evaluates the impact of extraction methods on the physicochemical properties of inulin water extract from Jerusalem artichoke tubers. The traditional method (liquid ratio 1:14, 90 °C, 90 min) and ultrasound-assisted extraction (liquid ratio 1:10, 70 °C, 60 min, 40 kHz) were examined. Ultrasound extraction increased carbohydrate content (from 4.6 % to 6 % in the initial extract) and inulin concentration (from 2.5 % to 3.9 %), demonstrating its efficiency. Surface tension and viscosity results confirm the extract's high activity for emulsion stabilization. The study highlights the potential of ultrasound extracts in the food industry.

Ключевые слова: клубень топинамбура, инулин, экстракт, поверхностное натяжение, вязкость, ультразвук.

Keywords: Jerusalem artichoke tuber, inulin, extract, surface tension, viscosity, ultrasound.

Введение

Топинамбур (Helianthus tuberosus) представляет собой уникальную сельскохозяйственную культуру, богатую инулином – биополимером, состоящим из фруктозных остатков, связанных β-(2→1)-гликозидными связями [7; 12]. Этот природный компонент обладает высокой функциональной ценностью и используется в качестве пребиотика, заменителя сахара, а также ингредиента для создания низкокалорийных продуктов. Водный экстракт топинамбура, благодаря содержанию инулина и других биологически активных веществ, может служить основой для различных пищевых и фармацевтических продуктов [8; 14]. Тем не менее, методы экстракции существенно влияют на химический состав и физические свойства экстракта, такие как вязкость, плотность и поверхностное натяжение, что требует детального изучения.

Основным полисахаридом топинамбура является инулин, биополимер, состоящий из олигосахаридных единиц, связанных гликозидными соединениями [6]. Водный раствор этого продукта образует гелеобразный препарат, и сегодня такие производные используются в качестве имитаторов жиров во многих отраслях промышленности. Следовательно, анализируя соответствующий водный экстракт, можно будет изучить его влияние на основные показатели получения эмульсии [4; 9].

В современных исследованиях всё больше внимания уделяется улучшению эффективности экстракции биоактивных компонентов [2; 13]. Традиционные методы, включающие тепловую обработку, нередко сопровождаются значительными потерями полезных веществ, тогда как ультразвуковая обработка позволяет сохранить их активность и повысить концентрацию экстрагируемых соединений [5]. Это делает ультразвук перспективным инструментом для получения инулиновых экстрактов с улучшенными свойствами. Цель данного исследования – изучить влияние традиционной и ультразвуковой экстракции на физико-химические параметры водного экстракта топинамбура и оценить его пригодность для использования в качестве стабилизатора эмульсий и других пищевых продуктов.

Материалы и методы

Водный экстракт порошка топинамбура получали в лабораторных условиях с использованием традиционного метода (гидромодуль 1:14, температура 90°С, продолжительность 90 минут) и ультразвуковой обработки (гидромодуль 1:10, температура 70°С, продолжительность 60 минут, 40 кГц, ультразвуковая баня SONIC-D3, GT, Китай). Концентрация полученного в эксперименте экстракта невысока, и включать такой раствор в состав пищевых продуктов экономически неэффективно. Поэтому с целью повышения концентрации сухих веществ в экстракте, в том числе инулина, полученные обоими способами экстракты упаривали при остаточном давлении 150–200 мм рт. ст. при температуре 70°С. Процесс концентрирования продолжали до тех пор, пока содержание инулина не достигло 10, 20, 30 и 40 %.

Содержание углеводов определяли по методу [3], в том числе инулина [10]. Содержание белка по методу Лоури [11]. Содержание влаги и летучих веществ определяли методом сушки до постоянной массы при 105°С. Других вещества определяли по формуле (1):

                             (1)

Поверхностное натяжение экстрактов измеряли методом [1]. Плотность определяли с помощью оптического спиртомера DMA 4500M (Anton Paar, Австрия), а вязкость – ротационным вискозиметром HAKE VT 2 plus (Thermo Fisher, Германия).

Результаты и обсуждение

Полученные водные и их концентрированные экстракты из порошка клубней топинамбура были проанализированы по их составу. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Состав водных и их концентрированных экстрактов порошка клубней топинамбура, полученных традиционным и ультразвуковым обработкой

Примечание: экстракт полученный традиционным методом (ТЭ) и воздействием ультразвуковой обработки (УЭ)

Таблица 1 демонстрирует состав водных и концентрированных экстрактов порошка клубней топинамбура, полученных традиционным методом и с использованием ультразвуковой обработки. Представленные данные показывают, что содержание углеводов, в том числе инулина, белков и других веществ, выше в экстрактах, полученных ультразвуковым методом. Например, при концентрации сухих веществ 40 % содержание инулина в ультразвуковом экстракте достигает 40,12 %, что немного превышает показатель традиционного метода (40,01 %). Аналогично, содержание белков и других веществ также выше в ультразвуковых экстрактах, что указывает на большую эффективность данного метода. Кроме того, уменьшение энергозатрат при концентрировании подтверждает преимущества ультразвуковой обработки для получения качественного экстракта.

Среди физико-химических показателей каждого продукта, добавляемого при производстве и рецептуре пищевых продуктов, в том числе маргарина, эмульсионного продукта, необходимо определить их коллоидно-химические параметры. Такие показатели являются основным фактором, определяющим влияние как на качество, так и на реологические параметры изготавливаемого продукта. Исходя из этого, нами были проанализированы изменения поверхностного натяжения, плотности и динамической вязкости полученных экстрактов, при различных показателях содержания воды. Кроме того, для сравнения экстрактов был приготовлен водный раствор инулина и также проанализирован. Полученные результаты представлены на рисунках 1, 2 и 3.

Рисунок 1. Зависимость поверхностного натяжения экстракта, полученного традиционным методом и воздействием ультразвука и водного раствора инулина от содержания воды

(традиционный – экстракт полученный традиционным методом; ультразвук – экстракт полученных ультразвуковой обработкой; инулин – водный раствор инулина)

Рисунок 2. Зависимость плотности экстракта, полученного традиционным методом и воздействием ультразвука и водного раствора инулина от содержания воды

Рисунок 3. Зависимость динамической вязкости экстракта, полученного традиционным методом и воздействием

Рисунок 1 иллюстрирует, что поверхностное натяжение снижается по мере уменьшения количества воды в растворе, что указывает на увеличение концентрации поверхностно-активных веществ. Экстракт, полученный с помощью ультразвука, демонстрирует более низкие значения поверхностного натяжения на всех уровнях содержания воды, что свидетельствует о его высокой поверхностной активности по сравнению с традиционным методом и чистым раствором инулина. Эти результаты подтверждают эффективность ультразвуковой обработки для получения экстрактов с улучшенными свойствами, пригодных для стабилизации эмульсий.

Рисунки 2 и 3 отражают изменения плотности и динамической вязкости водных экстрактов топинамбура, полученных традиционным методом и методом ультразвуковой обработки, в зависимости от содержания воды. Как видно из рисунка 2, плотность экстрактов в обоих случаях превышает 1 г/см³ на всех уровнях концентрации, что указывает на высокое содержание растворённых веществ. Ультразвуковые экстракты демонстрируют более высокие значения плотности, что связано с более эффективным извлечением биоактивных компонентов. На рисунке 3 представлена зависимость динамической вязкости, которая также увеличивается с уменьшением содержания воды, особенно для ультразвуковых экстрактов. Это обусловлено гелеобразующими свойствами инулина и его более высокой концентрацией в ультразвуковых образцах. Такие показатели подтверждают превосходство ультразвукового метода для получения экстрактов с улучшенными физико-химическими характеристиками.

Выводы

Проведённое исследование показало, что ультразвуковая обработка является более эффективным методом экстракции инулина из клубней топинамбура по сравнению с традиционным методом. Ультразвуковая экстракция позволяет повысить содержание углеводов, включая инулин, в экстракте, а также улучшить физико-химические показатели, такие как вязкость, плотность и поверхностное натяжение. Концентрированные ультразвуковые экстракты обладают более высокой поверхностной активностью, что делает их перспективными для использования в качестве стабилизаторов эмульсий и ингредиентов для пищевой промышленности. Применение данного метода способствует снижению энергозатрат и повышению качества экстрактов, что подтверждает его экономическую и технологическую целесообразность.

Список литературы:

1. Волков В.А. Коллоидная химия. Поверхностные явления и дисперсные системы. – СПб.: Лань, 2015. – 659 с.
2. Ирназаров Ш.И., Жураев Р.Н. Научное значение процесса получения инулина путем диффузии топинамбура // Journal of innovations in scientific and educational research. – 2024. – Т. 7. – №. 4. – С. 246–252.
3. Халилова Р.Н., Абдурахманова Н.М., Велиева Г.А. Количественное определение содержания растворимых углеводов в жидком экстракте клубней топинамбура (Helianthus tuberosus) // Инновационная наука. – 2015. – №. 8-2. – С. 16–17.
4. Dangre P.V., Kunal S.K., Awadhut D.P., Satish S.M. Chemistry, Isolation, and Pharmaceutical Applications of Inulin // Current Drug Therapy. – 2025. – Vol. 20. – №. 1. – Pp. 8–17.
5. Eris F.R., Riziani D., Pamela V., Febriansah M.R. Extraction of inulin from Beneng tuber (Xanthosoma undipes) and its application to yogurt // Future Foods. – 2024. – Vol. 9. – P. 100339.
6. Franck A., Bosscher D. Inulin. Fiber Ingredients. – CRC Press, 2009. – Pp. 55–74.
7. Jankowski K.J., Bogucka B. Jerusalem Artichoke: Energy Balance in Annual and Perennial Cropping Systems – A Case Study in North-Eastern Poland // Energies. – 2024. – Vol. 17. – Iss. 11. – pp. 2511.
8. Li J., Cui H.,  Xu X. Effect of fat replacement by inulin on the physicochemical properties and sensory attributes of low-fat margarine // Food Hydrocolloids. – 2022. – Vol. 133. – 10 p.
9. Lin X., Zhang X., Xu B. Differences in physicochemical, rheological, and prebiotic properties of inulin isolated from five botanical sources and their potential applications // Food Research International. – 2024. – Vol. 180. – Pp. 114048.
10.  Lingyun W., Wang J., Xiaodong Zh., Teng D. Studies on the extracting technical conditions of inulin from Jerusalem artichoke tubers // Journal of Food engineering. – 2007. – Vol. 79. – Iss. 3. – Pp. 1087–1093.
11.  Ponomareva S.A., Golovchenko V.V., Patova O., Vanchikova E.V. Comparative analysis of the spectrophotometric methods of the protein amount determination in the pectic polysaccharide samples // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. – 2015. – Vol. 41. – Pp. 133–139.
12. Sakr D.E. Improvement of inulin production in Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) through foliar application of certain sugars // Journal of Scientific Research in Science. – 2024. – Vol. 41. – Iss. 2. – Pp. 18–46.
13. Salijanova Sh., Ruzibayev A., Rakhimov D., Husanov Z., Gaipova Sh. Water-soluble Jerusalem artichoke extracts as fat replacer in dietary margarine recipe // Chemistry and chemical engineering. – 2020. – Vol. 2020. – Iss. 3. – Pp. 60–64.
14. Salijonova Sh., Ruzibayev A. Researching of the shelf life and quality of margarine enriched in inulin // Chemistry and chemical engineering. – 2022. – Vol. 2022. – No. 1. – P. 11.