ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАКТОВ КЛУБНЕЙ ТОПИНАМБУРА, ПОЛУЧЕННЫХ ТРАДИЦИОННЫМ МЕТОДОМ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКОЙ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследования экстрактов клубней топинамбура, полученных традиционным методом и методом ультразвуковой обработки. Установлено, что ультразвуковая обработка повышает содержание инулина в экстрактах до 65,1% по сравнению с 55,1% при традиционной методике, а также снижает содержание моносахаридов. Показано, что экстракты, полученные с использованием ультразвука, обладают улучшенными гелеобразующими свойствами благодаря сохранению функциональных характеристик инулина. Анализ химического состава экстрактов подтвердил их пригодность для использования в пищевой промышленности и потенциал в биомедицинских применениях. Полученные результаты демонстрируют преимущества ультразвуковой обработки в повышении эффективности экстракции биологически активных веществ.

ABSTRACT

The article presents the results of a study on Jerusalem artichoke tuber extracts obtained using traditional and ultrasonic treatment methods. It was found that ultrasonic treatment increases the inulin content in extracts to 65.1% compared to 55.1% with the traditional method and reduces the monosaccharide content. Extracts produced using ultrasound demonstrated improved gel-forming properties due to the preservation of inulin's functional characteristics. The chemical composition analysis confirmed the extracts’ suitability for food industry applications and their potential for biomedical uses. The results highlight the advantages of ultrasonic treatment in enhancing the efficiency of bioactive compound extraction.

Ключевые слова: клубень топинамбура, инулин, экстракт, углевод, ультразвук.

Keywords: Jerusalem artichoke tuber, inulin, extract, carbohydrate, ultrasound.

Введение

Топинамбур (Helianthus tuberosus), или земляная груша, представляет собой уникальное растение с высокой питательной и биологической ценностью. Его клубни богаты инулином, полисахаридами, которые широко используются в пищевой промышленности как источник пищевых волокон, имитаторов жиров и ингредиент для производства функциональных продуктов. Благодаря низкой калорийности и способности снижать уровень холестерина инулин также нашел применение в качестве ингредиента для продуктов, предназначенных для людей с нарушением обмена веществ [11].

Инулин широко используется в пищевой промышленности как источник фруктозы. Также были изучены его свойства по снижению уровня холестерина в качестве пищевого волокна. Было обнаружено, что из-за полного распада инулина в организме он обеспечивает меньше калорий, чем другие углеводы [1, 4]. Инулин относится к пребиотикам, используется в различных продуктах питания не только в качестве пищевого волокна, но и как имитатор жиров. Водные растворы инулина обладают гелеобразующими свойствами при определенных концентрациях. Эти гели по физическим свойствам схожи с маслом и могут имитировать некоторые свойства масла. В связи с этим в качестве имитаторов жира широко используются гели инулина. Эти свойства инулина обусловлены его химической структурой [5, 7].

Традиционные методы экстракции биологически активных соединений, таких как инулин, включают длительное нагревание, что может приводить к частичному разрушению структуры соединения и снижению его полезных свойств. Современные технологии, такие как ультразвуковая обработка, предоставляют возможность более эффективной экстракции инулина и других углеводов, сохраняя их функциональные характеристики. Ультразвуковая обработка снижает энергозатраты, минимизирует время экстракции и способствует увеличению выхода целевых компонентов [8, 13].

При этом основное внимание исследователи уделяют изучению состава экстрактов, содержанию инулина, а также другим углеводам, которые могут влиять на их гелеобразующие свойства. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации технологических процессов, связанных с переработкой топинамбура, и для разработки новых продуктов с функциональными свойствами [3, 6].

Целью настоящего исследования является сравнение эффективности традиционного и ультразвукового методов получения экстрактов клубней топинамбура.

Материалы и методы

Водный экстракт порошка клубней топинамбура получали в лабораторных условиях с использованием традиционного метода (гидромодуль 1:14, температура 90°С, продолжительность 90 минут) [12] и с ультразвуковой обработкой (гидромодуль 1:10, температура 70°С, продолжительность 60 минут, 40 кГц, ультразвукавая баня SONIC-D3, GT, Китай). Полученные экстракты были проанализированы.

Содержание углеводов определяли по методу [2], в т.ч. инулина [9]. Содержание белка по методу Лоури [10]. Содержание влаги и летучих веществ определяли методом сушки до постоянной массы при 105°С. Других вещества определяли по расчету (= 100 – углевод – белок – влага и летучие вещества, %).

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 приводится структурная формула инулина.

Рисунок 1. Химическая структура инулина

Химическая структура инулина, характеризующаяся отсутствием циклических сахарных единиц и наличием β(2-1) гликозидных связей, способствует его высокой гибкости, химической стабильности в желудочно-кишечном тракте, устойчивости к ферментативной деградации и достигает до толстого кишечника [5]. Эти уникальные свойства делают инулин отличным продуктом для систем доставки лекарств в толстую кишку и других биомедицинских применений. Кроме того, большое количество гидроксильных групп вдоль основной цепи инулина обеспечивают возможность его химической модификации, адаптируя свойства и функции гидрогеля.

Предварительно был проведен эксперимент, доказывающий преимущества использования ультразвука в экстракционных процессах.

В таблице 1 приводятся результаты этого эксперимента.

Таблица 1.

Состав водных экстрактов порошка клубней топинамбура, полученных традиционным методом и ультразвуковой обработкой

Помимо инулина, экстракт топинамбура содержит и другие углеводы, влияющие на гелеобразующие свойства экстракта. По этой причине был проведен анализ на содержание углеводов в сырье топинамбура и водных экстрактах, полученных из него.

Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Углеводный состав топинамбура и экстрактов, полученныз из него

Из таблицы 2 видно, что содержание инулина составляет 63,6% от общего количества углеводов, присутствующих в клубнях топинамбура, а в его экстрактах - 55,1 и 65,1%, соответственно. Установлено, что в экстракте, полученном традиционным способом, массовая доля инулина заметно ниже, а массовая доля моносахаридов высокая по сравнению с такими показателями для экстракта, полученного под действием ультразвука. Это можно объяснить тем, что при традиционном методе извлечения инулин подвергается гидролизу и в результате расщепляется с образованием моносахаридов. Установлено, что экстракты инулина частично содержат крахмал, целлюлозу и значительное количество (11,7 и 12,9%) гемицеллюлозы. Эти вещества обладают способностью образовывать гель при смешивании с водой и могут оказывать положительное влияние на физические свойства геля при его приготовлении из экстрактов инулина.

Выводы

В ходе исследования установлено, что использование ультразвуковой обработки при экстракции биологически активных веществ из клубней топинамбура позволяет существенно повысить содержание инулина в экстрактах, улучшить их гелеобразующие свойства и сохранить функциональные характеристики углеводов. Ультразвуковой метод экстракции обеспечивает более высокую эффективность по сравнению с традиционной методикой, что проявляется в увеличении выхода целевых компонентов и сокращении времени обработки. Полученные данные подтверждают перспективность применения ультразвуковой обработки для оптимизации технологических процессов в пищевой промышленности и для создания продуктов с функциональными и биомедицинскими свойствами.

Список литературы:

1. Муцаев Р.В., Алексанян И.Ю., Титова Л.М. // Способы получения инулина из растительного сырья // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-3. – 433-436 c.
2. 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.
3. Barta J. Jerusalem artichoke as a multipurpose raw material for food products of high fructose or inulin content //Studies in Plant Science. – Elsevier, 1993. – Vol. 3. – pp. 323-339.
4. Eris F. R. et al. Extraction of inulin from Beneng tuber (Xanthosoma undipes) and its application to yogurt //Future Foods. – 2024. – Т. 9. – С. 100339.
5. Franck A., Bosscher D. Inulin. Fiber Ingredients. – CRC Press, 2009. – pp. 55-74.
6. Kleessen B. et al. Jerusalem artichoke and chicory inulin in bakery products affect faecal microbiota of healthy volunteers //British Journal of Nutrition. – 2007. – Vol. 98. – No. 3. – pp. 540-549.
7. Li J. et al. Effect of fat replacement by inulin on the physicochemical properties and sensory attributes of low-fat margarine //Food Hydrocolloids. – 2022. – Vol. 133. – 10 p.
8. Lingyun W. et al. Studies on the extracting technical conditions of inulin from Jerusalem artichoke tubers //Journal of Food engineering. – 2007. – No. 79. – №. 3. – pp. 1087-1093.
9. Lingyun W. et al. Studies on the extracting technical conditions of inulin from Jerusalem artichoke tubers //Journal of Food engineering. – 2007. – Vol. 79. – Issue 3. – pp. 1087-1093.
10. Ponomareva S. A. et al. 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.
11. Praznik W., Cieślik E., Filipiak‐Florkiewicz A. Soluble dietary fibres in Jerusalem artichoke powders: Composition and application in bread //Food/Nahrung. – 2002. – Vol. 46. – No. 3. – pp. 151-157.
12. Salijanova Sh. et al. Water-soluble Jerusalem artichoke extracts as fat replacer in dietary margarine recipe // Chemistry and chemical engineering. – 2020. – Vol. 2020. – Issue 3. – pp. 60-64.
13. 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. – pp. 11.