ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТОДОВ ЭКСТРАКЦИИ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНОГО ЭКСТРАКТА ИНУЛИНА ИЗ ТОПИНАМБУРА

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.