Study of the influence of ultrasound on the process of extraction of polyphenols from grape seeds

Abstract

Полифенолы являются группой полезных веществ, которые можно применять для профилактики различных тяжелых заболеваний, таких как сахарный диабет, воспалительные процессы, сердечно-сосудистые и онкологические заболевания. Доказано, что в естественном виде в продуктах питания растительного происхождения (фрукты, овощи, зелень, специи, и т. д.) содержится более 8000 типов полифенолов. Среди сырья для экстракции полифенолов особый интерес представляют отходы пищевой промышленности, которые можно использовать в качестве дешевого источника полезных веществ. С учетом роста потребности в естественных антиоксидантах было принято решение исследовать технологию воздействия ультразвуковых колебаний на процесс экстракции на примере получения полифенолов из виноградных косточек, образующихся после прямого отжима виноградного сока. Для проведения экспериментальной части и определения влияния режимов воздействия ультразвуковых колебаний на эффективность экстракции был спроектирован и изготовлен экспериментальный ультразвуковой реактор с рабочей частотой излучения 33.5 кГц и средним значением акустического давления от 0,4 до 0,5 МПа. Основной задачей ультразвукового реактора являлось равномерное распределение акустических волн по всему обрабатываемому объему и равномерная обработка косточек за счет образующихся в реакторе перемешивающих сил. При этом оснащенная теплообменным кожухом камера, связанная с нагревателем и охладителем, позволила поддерживать температуру процесса в диапазоне от 30 до 40 °С. В ходе проведения исследования было установлено, что увеличение времени обработки и интенсивности применяемых колебаний обеспечивает нелинейное увеличение массы добываемого экстракта, а положительный эффект образуется благодаря механизмам растяжения и сжатия, а также вторичным эффектам кавитации и пульсации, присущим процессу ультразвуковой обработки материалов. Оптимальное значение времени обработки, при котором наблюдался максимум добычи полифенолов, составило 60 мин, при удельной мощности колебаний равной 26,4 Вт/л. Дальнейшее увеличение мощности и времени обработки оказалось экономически не оправдано. Визуальные данные цветности концентратов, полученные при проведении эксперимента, также соответствовали обнаруженным зависимостям. Polyphenols are a group of useful substances, which can be used to prevent various serious diseases, such as diabetes, cardiovascular disease, inflammation and cancer. It has been proven that more than 8000 types of polyphenols are found naturally in plant foods (fruits, vegetables, herbs, spices, etc.). Among the raw materials for the extraction of polyphenols, of particular interest are food industry waste, which can be used as a cheap source of nutrients. Taking into account the growing demand for natural antioxidants, it was decided to investigate the technology of the impact of ultrasonic oscillations on the extraction process using the example of obtaining polyphenols from grape seeds treated after direct pressing of grape juice. To carry out the experimental part and determine the effect of ultrasonic oscillation on the extraction efficiency, an experimental ultrasonic reactor was designed and manufactured with an operating radiation frequency of 33.5 kHz and an average acoustic pressure of 0.4 to 0.5 MPa. The main purpose of the ultrasonic reactor was the equal dissemination of acoustic waves throughout the treated volume and equal processing of the grape seeds due to the mixing forces generated in the reactor. At the same time, a chamber equipped with a heat-exchange casing, connected with a heater and a cooler, made it possible to maintain the process temperature in the range from 30 to 40 °C. During the study, it was found that an increase in the processing time and the intensity of the applied oscillations provides a non-linear increase in the mass of the extracted substance, and the positive effect is formed due to the mechanisms of stretching and compression, as well as the secondary effects of cavitation and pulsation inherent in the process of ultrasonic processing of materials. The optimal value of the treatment time, at which the maximum production of polyphenols was observed, equals 60 minutes, with a specific power of fluctuations equal to 26.4 W/L. A further increase in power and processing time was not economically justified. The visual data on the color of the concentrates obtained during the experiment also corresponded to the discovered dependencies.