Экстракция околоплодника грецкого ореха и характеристика их фенольных соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экстракция околоплодника грецкого ореха и характеристика их фенольных соединений

М.Ж. Султанова, Х.А. Абдрахманов, Н. Акжанов, А.С. Садуакас, А.Б. Нурыш

Abstract

Extraction of the walnut pericarp and the characterization of their phenolic compounds

М.Z. Sultanova, H.A. Abdrakhmanov, N. Akzhanov, A.S. Saduakas, A.B. Nurysh

Introduction. All walnut parts contain vitamins of group C, A, E and B, organic acids, minerals and tannins. Unripe fruits of walnuts contain up to 3-5% vitamin C. The maximum content of vitamin C in immature walnuts is observed at the beginning of the hardening of the endocarp. The main groups of secondary biologically active components of food plants (chins and hydroquinones) include UGLON, which is found in walnuts of dairy products and vitality. UGLON (5-hydroxy-1,4-naphthoquinone) is a natural antibiotic with high bactericidal properties. UGLON inhibits the activity of phosphatidylinositol-3 kinase, which indicates its anticorrogenic properties without expressing the toxicity inherent in other cytostatics. One of the important stages of the walnut production and processing process is its purification from the green amniotic fluid, which helps to maintain the color of the kernel and shell. In the process of cleaning walnuts, you can clean a small part manually, and for a large batch you will need special equipment. However, in both cases, a large amount of waste remains, in addition, the use of appropriate disposal methods is necessary to reduce the level of their negative impact on the environment. Object. The object of the study is walnut as a source of phenolic compounds for the food industry. Materials and methods. The expediency of using walnut pericarp extract for food purposes has been investigated. The antioxidant activity of the extracts was studied as the walnut matured. Fresh walnut pericarp has the highest antioxidant activity during the period of milk maturity. Biologically active substances of the pericarp were isolated by extraction. The solvents used in the extraction process were ethanol and water. Extraction was carried out on a semi-automatic Soxlet apparatus. Results and conclusion. All parts of walnut have healing properties and have a very rich chemical composition. Literary analysis shows that walnut pericarp is mainly used as a tissue dye due to the content of coloring substances in it. It is also known that due to a number of useful properties, pericarp is used in folk medicine for medicinal purposes. For example, it has the most important antioxidant, carcinogenic and antibacterial properties. However, it is still practically not used in the food industry. The main objectives of this study were to determine the content of phenolic compounds in the walnut pericarp during the period of milk maturation, the possibility of using the extract as a food additive, and the determination of optimal extraction modes by mathematical modeling.

Key words: pericarp; walnut; extraction; milk ripeness; solvents.

Аннотация

Актуальность. Все части грецкого ореха содержат витамины группы C, A, E и B, органических кислот, минералов и танинов. Незрелые фрукты грецких орехов содержат до 3 -5 % витамина C. Максимальное содержание витамина С в незрелых грецких орехах наблюдается в начале затвердения эндокарпия. Основные группы вторичных биологически активных компонентов пищевых растений (подбородки и гидрохинонов) включают UGLON, который содержится в грецких орехах и молочных продуктах. Углон (5-гидрокси-1,4- нафтохинон) является природным антибиотиком с высокими бактерицидными свойствами. UGLON ингибирует активность фосфатидилинозитол-3 киназы, которая указывает на ее антикокорогенные свойства без выражения токсичности, присущей другой цитостатике. Одним из важных этапов процесса производства и обработки грецкого ореха является его очистка из зеленой амниотической жидкости, которая помогает поддерживать цвет ядра и раковины. В процессе очистки грецких орехов можно очистить небольшую часть вручную, а для большой партии потребуется специальное оборудование. Однако в обоих случаях остается большое количество отходов, кроме того, использование соответствующих методов утилизации необходимо для снижения уровня их негативного воздействия на окружающую среду. Объект. Объектом исследований является грецкий орех как источник фенольных соединений для пищевой промышленности. Материалы и методы. Исследована целесообразность использования экстракта околоплодника грецкого ореха в пищевых целях. Антиоксидантная активность экстрактов изучалась по мере созревания грецкого ореха. Свежий околоплодник грецкого ореха обладает самой высокой антиоксидантной активностью в период молочной зрелости. Биологически активные вещества околоплодника выделялись методом экстракции. Растворителями, используемыми в процессе экстракции, были этанол и вода. Экстракция проводилась на полуавтоматическом аппарате Сокслета. Результаты и выводы. Все части грецкого ореха обладают целебными свойствами и имеют очень богатый химический состав. Литературный анализ показывает, что околоплодник грецкого ореха из-за содержания в нем красящих веществ используют в основном как краситель тканей. Известно также, что благодаря ряду полезных свойств околоплодник используется в народной медицине в лечебных целях. Например, он обладает важнейшими антиоксидантными, канцерогенными и антибактериальными свойствами. Однако он в пищевой промышленности до сих пор практически не используется. Основными задачами данного исследования было определение содержания фенольных соединений в перикарпе грецкого ореха в период молочного созревания, возможность использования экстракта в качестве пищевой добавки, определение оптимальных режимов экстракции методом математического моделирования.

Ключевые слова: околоплодник ореха, грецкий орех, экстракция околоплодника ореха, молочная спелость ореха.

Введение.

Общеизвестно, что дикорастущие растения являются богатыми источниками тех или иных биологически активных соединений, витаминов и минералов. Естественная среда произрастания растений позволяет им максимально накапливать полезные компоненты. Не является исключением и грецкий орех (Juglans regia), окультуренный человеком много лет назад, определенные сорта которого произрастают в нашей республике, в особенности в Алматинской области [7].

Грецкий орех - это уникальное растительное сырье, все части которого могут быть использованы человеком. К примеру, применяются плоды как зрелые, так и недозревшие, зеленый околоплодник, кожура и перегородки после выделения ядра, листья и корни дерева, а также сама древесина [5].

Состав сырых грецких орехов молочно-восковой спелости представлен эфирными маслами, органическими кислотами, алкалоидами, гликозидами, сапонинами, кумаринами, каротиноидами, водорастворимыми витаминами, фитонциндами, фенольными соединениями, дубильными веществами и микроэлементами [2]. Эти природные комплексы стимулируют терапевтическое использование грецких орехов молочновосковой спелости в качестве улучшающих добавок. Химический состав всех частей грецкого ореха зависит от вида, места и условий выращивания в окружающей среде [9].

Все части грецкого ореха содержат витамины группы С, А, Е и В, органические кислоты, минералы и дубильные вещества. Незрелые плоды грецкого ореха содержат до 3-5 % витамина С. Максимальное содержание витамина С в незрелых грецких орехах наблюдается в начале затвердевания эндокарпий [3].

К основным группам второстепенных биологически активных компонентов пищевых растений (хинонов и гидрохинонов) относится юглон, который содержится в грецких орехах молочно-восковой спелости. Юглон (5-гидрокси-1,4-нафтохинон) - природный антибиотик с высокими бактерицидными свойствами. Юглон ингибирует активность фосфатидилинозитол-3 киназы, что указывает на его антиканцерогенные свойства без выраженной токсичности, присущей другим цитостатикам.

Одним из важных этапов в процессе производства и обработки грецкого ореха является его очистка от зеленого околоплодника, который помогает сохранить цвет ядра и скорлупы. В процессе чистки грецких орехов небольшую их партию можно почистить вручную, а для большой партии потребуется специальное оборудование. Однако в обоих случаях остается большое количество отходов, кроме того, для снижения уровня их негативного воздействия на окружающую среду необходимо применение соответствующих методов утилизации.

В околоплоднике грецкого ореха содержатся полезные вещества: витамины, йод, дубильные вещества, юглон и жирные кислоты [4, 11]. Кроме того, грецкие орехи достаточно богаты полиненасыщенными жирными кислотами, которые являются важными диетическими жирными кислотами Омега-6 и Омега-3 [1].

Листья, зеленые плоды и околоплодник в отличие от других растений имеют рекордную концентрацию витамина С, Р-активных полифенолов и йода. Уникальный химический состав и наличие в нем биологически активных веществ объясняет использование их в народной медицине, а зеленых орехов - иногда и в пищевой отрасли [10].

Однако, несмотря на широкую известность и популярность грецкого ореха его антиоксидантные, антибактериальные, противопаразитарные и противоопухолевые свойства недостаточно изучены [6, 8].

Поэтому поиск оптимальных способов использования химически ценного околоплодника спелого грецкого ореха в производстве продуктов питания является актуальной задачей.

В техническом плане грецкий орех также может использоваться в качестве натурального красителя из-за содержания красящих веществ в околоплоднике. Но ограниченность его применения зачастую связана с недостаточно разработанными или полностью отсутствующими технологиями [12].

Таким образом, отходы грецкого ореха приносят неоценимую пользу для человека и могут быть оценены как источники природных антиоксидантов и противомик- робных агентов.

Целью проведенного исследования является создание продуктов профилактического назначения на основе экстракта из зеленого околоплодника грецкого ореха молочной спелости для удовлетворения потребностей населения в высококачественных и безопасных продуктах, обладающих функциональной направленностью.

Материалы и методы. Материалом для исследования является околоплодник грецкого ореха молочной спелости, собранный в Алматинской области в конце мая. Экстракция проводилась на полуавтоматическом аппарате по Сокслету «АСВ-6». Зеленая шелуха грецкого ореха была отделена, помещена в пластиковые пакеты и заморожена при температуре -20 °С. Затем изучаемые образцы высушивались в сушильном шкафу.

Измельчение дробилкой «Novital Magnum 4V» и на лабораторной мельнице «МШЛ-1П».

Мельница «МШЛ- 1П» является устройством периодического действия. Съемный барабан мельницы заполняется предварительно измельченным на дробилке «Novital Magnum 4V» высушенным околоплодником грецкого ореха и измельчающими стальными шарами. При вращении барабана материал измельчается в результате истирающего и ударного действия шаров. Время измельчения зависит от крупности помола и варьируется от 1 до 3 часов [9].

Экстракция на полуавтоматическом аппарате экстракции по Сокслету «АСВ-6».

Для начала анализа подготавливаются пробы для экстракции. Стеклянные экстракционные колбы в количестве 6 штук просушиваются в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянной массы и охлаждаются до комнатной температуры в эксикаторе. Изготавливаются гильзы из фильтровальной бумаги, и в нее помещается измельченный околоплодник грецкого ореха в количестве 5 г. Гильзу с образцом присоединяют к магнитному держателю внутри стеклянного холодильника. В экстракционную колбу наливают 45 мл растворителя (вода, этанол, вода+этанол) и устанавливают ее на водяную баню, подняв соответствующий стеклянный холодильник и установленную в нем пробу. Соединяют стеклянный холодильник и экстракционную колбу по шлифу. Включают нагрев. Открывают вентиль. После достижения заданной температуры, перемещают пробу в растворитель, где проба обрабатывается в течение 30 мин. После этого пробу переводят в положение для промывки чистым растворителем. Процесс промывки чистым растворителем и есть основная стадия экстракции, эта стадия проходит в течение 60-180 мин. По окончании экстракции в течение 30 мин. растворитель переходит в верхнюю часть холодильника, а в экстракционной колбе остается экстрагированное вещество. витамин орех эндокарпий ядро

Было проведено центрифугирование при 3300 об/мин в течение 10 мин. Супернатант собирали в виде сырого экстракта фенольных соединений для дальнейшего анализа.

Общее содержание фенолов оценивали колориметрическим методом Фолина- Чокалтеу и результаты выражали в миллиграммах эквивалентов галловой кислоты (mg GAE/extract).

Определение активности по поглощению радикалов DPPH. Определение с использованием 2,2-дифенил-1-пикрилгидразилгидрата (DPPH) выражали в количестве экстракта. Экстракты околоплодника грецкого ореха добавляли в 1,5 мл раствора DPPH (4,02 мг/100 мл в этаноле) и смесь выдерживали в темноте в течение 30 мин. при комнатной температуре. Поглощение при 517 нм использовали для определения концентрации оставшегося DPPH с помощью спектрофотометра UV-VIS. Анализ был проведен в трехкратной последовательности, и активность поглощения радикала DPPH была выражена в процентах (%) ингибирования с использованием следующего уравнения [10]:

DPPH эффект очистки % = (AD-AS)/(AD ) * 100,

где AD - представляет собой значение поглощения при 517 нм контрольного типа DPPH; AS - является значением поглощения при 517 нм для образца.

Результаты и обсуждение. Оптимизация выхода экстракта из околоплодника грецкого ореха.

Для получения математической модели технологического процесса, представляющего собой уравнение регрессии, использовали ротатабельный план второго порядка (план Бокса).

Таблица 1 - Кодировка интервалов и уровней варьирования входных факторов

Таблица 2 - Дисперсионный анализ для квадратичной модели поверхности отклика

Значения доверительных интервалов критериев оптимизации процесса выхода общих фенольных соединений из околоплодника грецкого ореха приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Значение доверительных интервалов критерия оптимизации

Сравнивая значения доверительных интервалов в таблице 3 с соответствующими коэффициентами регрессии, можем сделать вывод, что эффекты взаимодействия входных факторов незначительны.

Таким образом, уравнения регрессии для процесса выхода общих фенольных соединений из околоплодника грецкого ореха для кодированных значений примет следующий вид:

у= 37.56 + 1,81x1 - 4,65x2 + 1,80x3 - 2,01x1x2 + 0,02x1x3 - 0,26x2x3 - 2,79x12 + 1,25x22 - 1,57x32

Таким образом, учитывая, что Fp<Fm модель технологической эффективности процесса можно считать адекватной с 95 % доверительной вероятностью.

После канонического преобразования моделей второго порядка были получены уравнения регрессии в канонической форме, значения параметров оптимизации были вычислены на ЭВМ текстового процессора Microsoft Exсel, на основе которых строили модель в трехмерном пространстве, представляющую собой выход экстракций, которая характеризует зависимость продолжительности проведения экстракций (t, min), концентрации растворителя (С, %), крупности помола околоплодника грецкого ореха (К, pm) оказывающие влияние на критерии оптимизации - выхода фенольных соединений. На рисунке 1 приведено графическое изображение графиков зависимостей.

Анализ представленных графиков показал, что на трехмерной модели в пространстве существуют оптимальные области переменных значений концентрации растворителя (%), крупности помола (pm), продолжительности проведения экстракций (min) величины, при которых выход экстракций осуществляется с оптимальными значениями С (%), К (pm), t (min).

Концентрацию растворителя, крупность помола и продолжительность экстракции меняли. Когда время экстракции увеличивали с 60 до 180 мин, выход фенольных соединений соответственно увеличивался, и самый высокий выход экстракции был получен через 150 мин.

A - концентрация растворителя (%) и крупность помола (pm); B - концентрация растворителя (%) и продолжительность экстракций (min); C - продолжительность экстракций (min)и крупность помола (pm)

Рисунок 1 - Трехмерная модель в пространстве выхода фенольных соединений:

Как показано на рисунке 1А, при крупности 300 pm и увеличении концентрации этанола с 50 % до 90 %, выход экстракции также увеличился с 29,06 до 44,28 mg GAE/extract. Увеличение продолжительности экстракции с 60 минут до 180 минут и росте концентрации растворителя с 50 % до 90 %, выход фенольных соединений также увеличился с 20,08 до 36,80 mg GAE/extract.

Показатель измельчения околоплодника грецкого ореха напрямую влияет на выход фенольных соединений. По итогам исследования околоплодник, измельченный до 300 pm, дал максимальный выход фенольных соединений.

Этанол и вода были выбраны в качестве экстракционных растворителей не только потому, что они приводят к более высоким выходам экстракции, но и потому, что они безопаснее и менее токсичны по сравнению с метанолом и другими органическими растворителями.

После экстракции околоплодника грецкого ореха в качестве наилучшего результата были получены 2 различных соотношения. К ним относятся:

соотношение этанола с водой (80 % + 20 %), крупность помола - 300 pm, время экстракции - 120 минут.

90 % этанол, крупность помола - 300 pm, время экстракции - 150 минут.

Определение активности по поглощению радикалов DPPH.

DPPH является стабильным свободным радикалом органического азота, и его способность к поглощению широко использовалась для оценки антиоксидантной способности экстрактов из растительного сырья.

Антиоксидантную активность фенольных соединений из экстракта околоплодника грецкого ореха, сравнивали с антиоксидантной активностью трех обычно используемых синтетических антиоксидантов - BHT, BHA и TBHQ (рисунок 2).

Рисунок 2 - Сравнение антиоксидантной активности фенольных соединений из околоплодника грецкого ореха с BHA, BHT и TBHQ с помощью анализа DPPH

При более низких концентрациях фенольных соединений из околоплодника грецкого ореха активность поглощения была одинаковой. В диапазоне концентраций от 100 до 500 мкг/мл поглощающая активность фенольных соединений из околоплодника грецкого ореха была выше, чем TBHQ, BHA и BHT.

Эти данные показывают, что экстракт из околоплодника грецкого ореха может применяться в качестве естественной антиоксидантной замены синтетических антиоксидантов, основным недостатком которых является оказание негативных последствий для здоровья человека.

По качественному соотношению полученные экстракты показали наличие высокого уровня содержания фенольных соединений, что говорит о том, что околоплодник грецкого ореха молочной спелости обладает антибактериальными, антиокислительны- ми и канцерогенными свойствами и может применяться в лечебных целях. Результаты данной работы показали, что околоплодник грецкого ореха можно использовать как источник природных антиоксидантов растительного происхождения. Дальнейшие исследования и полученные при этом результаты будет иметь направление в сторону практического применения - использования экстрактов в качестве пищевых добавок, обогащающих и повышающих пищевую ценность продуктов питания.

Выводы

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: была проведена экстракция этанолом и водой.

Методом математического моделирования были выявлены самые оптимальные режимы экстракции, при которых наиболее полно извлекаются все фенольные соединения околоплодника грецкого ореха. По результатам оптимизации выявлено, что при экстракции 90% этанолом, время проведения экстракции составило 150 мин., при этом выход фенольных соединений был наиболее максимальным; при экстракции экстрагентом «этанол + вода» в соотношении 80 / 20, время проведения экстракции составило 120 мин., при этом был наиболее максимальный выход экстракта. Доказано, что экстракт из околоплодника грецкого ореха обладает более высокой антиоксидантной активностью по сравнению с синтетическими антиоксидантами, такими как BHT, BHA и TBHQ. Экстракт из околоплодника грецкого ореха может применяться в качестве естественной антиоксидантной замены синтетических антиоксидантов.

Благодарность. Работа проводилась в рамках проекта, финансируемого Министерством сельского хозяйства Республики Казахстан BR10764970-OT-21 «Использование нетрадиционных видов отходов грецкого ореха для получения продукта с профилактическими свойствами». В заключение, хотелось бы искренне поблагодарить всех участников этого научного проекта за их помощь в проведении экспериментальных исследований. Также выражаем благодарность руководству и ученым Астанинского филиала ТОО «КазНИИ перерабатывающей и пищевой промышленности».

Библиографический список

1. Артюхова Л. В., Якуба Ю. Ф., Балапанов И. М. Оценка перспективных форм ореха грецкого селекции СКФНЦСВВ по качеству плодов // Плодоводство и виноградарство Юга России. 2021. № 67 (1). С. 55-65.

2. Аслонова И. Ж., Кароматов И. Д., Тураева Н. И. Химический состав грецкого ореха // Биология и интегративная медицина. 2019. № 10(38). С. 77-83.

3. Кудратова Ш. Х., Рахимова М., Кудратова Л. Х. Определение кислотного числа экстракта околоплодника грецкого ореха // Вестник Таджикского национального университета. Серия естественных наук. 2021. № 2. С. 186-196.

4. Назарько М. Д., Кириченко А. В., Шершнева В. А. Разработка биотехнологии трансформации околоплодников и листьев грецкого ореха для получения фитопрепарата // Наука и Образование. 2021. Т. 4. № 2.

5. Хохлов С. Ю. Изучение морфологической изменчивости плодов и оценка перспективных сортов ореха грецкого // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2017. № 67. С. 273-277.

6. Chesnokova N. Y. Research of safety and relative biological value of drinks on the basis of the extract of manchurian walnut pericarp // Tekhnika i Tekhnologiya Pishchevykh Proizvodstv. 2016. Vol. 40. Issue 1. P. 96.

7. Levchuk T. V. Antioxidant activities of manchurian walnut-pericarp-based extracts // Academic collaboration with Far Eastern federal University. 2015. P. 67.

8. Ma Y., Wang C., Liu C. Physiochemical responses of the kernel quality, total phenols and antioxidant enzymes of walnut in different forms to the low-temperature storage // Foods. 2021. Vol. 10. Issue 9. P. 2801.

9. Orlova O. The unique characteristics of milky-wax ripe walnuts and their usage // Agronomy Research. 2014. V. 12. № 3. Pp. 769-778.

10. Queiros C. S. Characterization of walnut, almond, and pine nut shells regarding chemical composition and extract composition // Biomass Conversion and Biorefinery. 2021. Vol. 10. Issue 1. Pp. 175-188.

11. Tiurikova I. S. A prospective method to use waste of walnuts // Journal of Chemistry and Technologies. 2021. V. 29. № 2. P. 331-341.

12. Zhu X., Luo Z., Zhu X. Novel insights into the enrichment of phenols from walnut shell pyrolysis loop: Torrefaction coupled fractional condensation // Waste Management. 2021. Vol. 131. Pp. 462-470.

Размещено на Allbest.ru