Optimization of extraction parameters of diterpene glycosides from stevia leaves by mathematical modeling

Abstract

В связи с актуальной проблемой импортозамещения значимой становится проблема разработки технологии получения подсластителей натурального происхождения. В работе подбирали параметры и режимы экстрагирования стевиозида - гидромодуль, температуру и продолжительность процесса. Объектом исследования служила зеленая масса листьев стевии, с остаточной влажностью 10 %. Исследовали стевию сорта Рамонская Сластена, культивированную в Центрально-Черноземном регионе. Требования к измельченным листьям - проход через сито с диаметром отверстий 1 мм должен быть не менее 95 %. Определение в экстракте дитерпеновых гликозидов осуществляли модифицированным методом Комисаренко, сущность которого состоит в количественном определении глюкозы, эквивалентной массе дитерпеновых гликозидов. Оптимизацию технологических параметров массопереноса осуществляли построением регрессионных моделей второго порядка, ортогональным центральным композиционным планированием (ОЦКП). Степень измельчения была выбрана на основе данных, представленных Всероссийским научно-исследовательским институтом сахарной свеклы и сахара, 1-3 мм. На основе экспериментов создали математическую модель второго порядка, пригодную для оптимизации процесса получения экстракта стевии. Основные факторы, играющие роль в переходе гликозидов из листьев в раствор: X - температура экстракции, °С; X - длительность экстрагирования, мин; X - соотношение сухой массы и воды. Параметры оценки эффективности процесса экстракции: выход дитерпеновых гликозидов Y (% от массы стевии) и затраты электроэнергии Y (кВт/дмэкстракта). Первый критерий желательно максимизировать, второй - минимизировать. Для получения экстракта гликозидов из стевии параметры и режимы экстрагирования следующие: гидромодуль - 1:10,8; температура - 79,8 °С; продолжительность - 94,1 мин. Получение водного экстракта стевии не требует высокотехнологичного аппаратурного оформления, поэтому возможно на любых предприятиях по производству продуктов питания. Полученный экстракт стевии рекомендован в качестве полного или частичного заменителя сахарозы в сочетании с добавками, такими как наполнители, желирующие агенты, стабилизаторы, ароматизаторы для разработки функциональных продуктов - безалкогольных напитков, молочных продуктов, фруктовых нектаров, хлебобулочных изделий, мучных кондитерских изделий, желе, джемов и других. Stevioside is a glycoside contained in stevia leaves 300 times higher in sweetness than sucrose, has an immunomodulatory property, reduces blood sugar and cholesterol levels. The parameters and modes of extraction of stevioside - hydromodule, temperature and duration of the process were selected in the work. The object of the study was dried stevia leaves of the Ramon Sweet-meat variety. The crushed leaves had a passage through a sieve with a hole diameter of 1 mm. The determi-nation of diterpene glycosides in the extract was carried out by the modified Komissarenko method. The essence of the method consists in the quantitative determination of glucose equivalent to the mass of diterpene glycosides. To optimize the technological parameters of extraction, regression models of the second order were built using orthogonal central composition planning. The degree of crushing of stevia leaves was 1-3 mm. The extraction at a temperature below 76 °C reduces the amount of diterpene glycosides in the aqueous extract, and an increase in the extraction temperature above 92 °C does not increase the yield of glycoside. The maximum extraction of diterpene glycosides is achieved at an extraction temperature of 92 °C. When selecting a hydromodule, extraction was carried out at the ratio of stevia leaves and water 1:5, 1:10, 1:15. The highest yield of extractive substances was observed with a hydromodule of 1:10. With an increase in the duration of extraction from 60 to 180 minutes, an increase in the extract is observed. The optimal duration of the extraction process is 120 min. Based on the experimental data obtained, a second-order mathematical model was constructed, suitable for optimizing the process of obtaining stevia extract. The main factors influencing the process of stevioside transition from leaves to solution were considered: extraction temperature, °C; extraction duration, min; hydromodule. The criteria for evaluating the efficiency of the extraction process were: the yield of diterpene glycosides % by weight of stevia and energy consumption kW/dm extract. The first criterion is desirable to maximize, the second - to minimize. Optimal extraction modes are obtained: hydromodule - 1:10.8, temperature - 79.8 °C, duration - 94.1 min. Obtaining an aqueous extract of stevia does not require complex hardware design, therefore it can be carried out at any enterprises producing soft drinks. The resulting stevia extract is recommended as a complete or partial sucrose substitute in combination with additives such as fillers, gelling agents, stabilizers, flavorings for the development of functional products - dairy products, soft drinks, fruit nectars, bakery products, flour confectionery, jellies, jams and others.