Abstract

Vinul de struguri dintr-un soi de struguri roșii (Vitis vinifera Moldova) cultivat în regiunea de nord-est a României a fost studiat ca sursă de extracție a antocianinei monomerice totale (TMA) și a conținutului fenolic total (TPC) folosind tratament cu ultrasunete. Metoda de extracție descrisă aici folosește doi solvenți diferiți, și anume 2-propanol și metanol. Pentru fiecare dintre solvenții de extracție, am evaluat influența singulară și impactul interacțiunilor dintre parametrii procesului (concentrația solventului, frecvența cu ultrasunete, temperatura și timpul de extracție) asupra randamentelor de extracție ale antocianinelor și compușilor fenolici. Metodologia suprafeței de răspuns a fost implementată printr-un design Box-Behnken pentru a optimiza extracția TMA și TPC din tescovină de struguri. Conform optimizării, pentru a obține cel mai mare randament de TPC (62,487 mg echivalent acid galic (GAE)/g (d = 1,0)), sunt necesare următoarele condiții: solvent - 2 propanol, concentrația solventului 50%, temperatura - 50 ° C și timpul de extracție 29,6 min.

struguri

1. Introducere

Strugurii (genul Vitis) sunt una dintre cele mai cultivate culturi de fructe din lume, cu utilizări în industria alimentară care variază de la producția de suc, vin, gem, jeleu, stafide și oțet până la extracția de ulei din semințe de struguri. Se estimează că aproximativ 80% din recolta de struguri este utilizată în industria vinicolă [1]. Producția și consumul de vin au fost în mod tradițional concentrate pe continentul european și continuă să fie dominate de trei mari producători europeni: Italia, Franța și Spania. De la scăderea sa majoră în 2012 [2], producția mondială de vin a crescut la 275,7 MhL în 2015, cu o ușoară creștere de 2% față de anul precedent [3]. După cum se poate aștepta, o industrie atât de mare este asociată cu producția de cantități semnificative de deșeuri solide și lichide. Deșeurile solide includ tulpini de struguri (2,5-7,5%), tescovină de struguri (până la 25-45%) și semințe de struguri (3-6%) [4]. Numai în țările europene, s-a estimat că 14,5 milioane de tone de subproduse ale strugurilor sunt generate anual de industria vinicolă [5,6].

Vinul de struguri este principalul deșeu al vinului și rezultă din procesul de vinificație în timpul producției de must de struguri prin zdrobirea strugurilor întregi. Tocul de struguri, care este alcătuit din piei și semințe, se raportează că reprezintă un procent aproximativ între 25% și 30% din strugurii folosiți [7,8]. Conținutul raportat de semințe în tescovină de struguri variază de la 7-20% la o proporție mai mare de 38-52% [9,10]. În ceea ce privește compoziția chimică a tescovinei de struguri, mai multe studii au raportat conținutul în proteine, fibre, ulei și zaharuri ale produsului secundar [11,12,13,14]. Datorită conținutului ridicat de fibre, vinul de struguri este utilizat ca aditiv pentru hrana animalelor [15]. Alte reutilizări descrise pentru aceste deșeuri de cramă sunt ca materii prime în producția de băuturi alcoolice și îngrășăminte, precum și în distilerii pentru obținerea etanolului [16,17,18].

În lucrarea de față, studiem influența diferitelor condiții de extracție, și anume temperatura de extracție, frecvența cu ultrasunete, concentrația solventului și timpul de sonicare, asupra conținutului în antociani și compuși fenolici ai extraselor din tescovină de struguri rezultate din procesarea strugurilor roșii dintr-un soi local (Vitis vinifera Moldova) la scară de laborator. Modificările induse în compoziția extractului ca efect al variațiilor variabilelor operaționale au fost cuantificate prin măsurarea TMA și TPC a extractelor, iar spectroscopia Raman a fost utilizată pentru caracterizarea extractelor.

2. Materiale și metode

2.1. Materiale și produse chimice

Strugurii roșii (Vitis vinifera Moldova) au fost cumpărați în orașul Suceava (România) în 2015. Tescovină de struguri (după extragerea sucului) a fost supusă unui proces de uscare la 40 ° C într-un cuptor până când a avut o greutate constantă. Tărâcul de struguri uscat a fost apoi măcinat până când s-a obținut o pulbere fină.

Toți reactivii chimici - metanol, 2-propanol, carbonat de sodiu și Folin - reactiv Ciocalteau - au fost de calitate analitică și au fost cumpărați de la Sigma-Aldrich (Hamburg, Germania).

2.2. Extragerea tehnică

3 g de pulbere de tescovină de struguri uscate au fost amestecate cu 30 ml de solvent (metanol sau 2-propanol în diferite concentrații cu apă 50% (v/v), 70% (v/v) și 90% (v/v), respectiv). Procedura cu ultrasunete a fost una directă utilizând un traductor cu ultrasunete cuplat cu un generator de funcții (HAMEG 8150, München, Germania) și frecvența a fost măturată la trei frecvențe diferite (Tabelul 1). Probele au fost extrase la trei temperaturi diferite (50, 60 și 70 ° C) timp de 15 min, 30 min și respectiv 45 min.

tabelul 1

Niveluri în experimente factoriale complete pentru TMA și TPC din tescovină de struguri.

Factor - 101
Concentrație (%), C507090
Frecvența cu ultrasunete (kHz), U12.52537,5
Temperatura (° C), T506070
Timp (min), t153045

2.3. Determinarea antocianinei monomerice totale

Conținutul total de antocianină monomerică (TMA) din extractul de tescovină de struguri a fost determinat folosind o metodă spectrofotometrică dezvoltată de Rabino și Mancinelli [43]. Un spectrofotometru UV-VIS (Ocean Optics, Largo, FL, SUA) a fost utilizat pentru măsurători spectrale la 657 nm și 530 nm.

Conținutul de TMA a fost exprimat în cianindin-3-glucozidă (mg/g) folosind următoarea ecuație:

2.4. Conținut fenolic total

Conținutul fenolic total al extractelor brute a fost măsurat utilizând testul colorimetric pe bază de reactiv Folin - Ciocalteu (FC), așa cum este descris de Singleton și Rossi [44]. Valorile TPC au fost exprimate în mg echivalent acid galic (GAE)/g [45] pe bază de extract umed. Curba de calibrare a fost realizată folosind acid galic la concentrații de 0,5, 1, 2, 3, 4, 5 și 10 mg/L cu un coeficient de regresie de 0,995.

2.5. Analiza spectrelor Raman

Spectrele de extracte de tescovină de struguri au fost înregistrate folosind un spectrometru i-Raman (EZM-A2-785L, B&W TEK Inc., Newark, DE, SUA) echipat cu o sondă Raman cu fibră optică; spectrul a fost înregistrat de la 2600 - 175 cm −1. Probele au fost scanate la o creștere de 10 nm. Timpul de integrare a fost de 15 s. Pentru a afișa spectrele extrasului, a fost utilizat software-ul de spectroscopie optică Spekwin32 (Versiunea 1.72.2, 2016, http://www.effemm2.de/spekwin/).

2.6. Analize statistice

2.6.1. Analiza variatiei

Analiza variației multifactoriale (ANOVA) a fost aplicată pentru a detecta diferențele în randamentul de extracție al conținutului fenolic total și al antocianinelor monomerice totale cu modificări ale parametrilor procesului, și anume, extracția solventului, concentrația solventului, frecvența ultrasunetelor, temperatura și timpul de extracție. Analizele au fost efectuate cu Unscrambler X 10.1 (Camo, Oslo, Norvegia). Diferențele s-au considerat semnificative la p4 s-a efectuat un experiment factorial complet pentru solvenții utilizați (2-propanol și metanol) cu 4 factori (frecvență ultrasonică, temperatură, concentrație de solvent și timp), fiecare variind la 3 niveluri, așa cum este prezentat în Tabelul 1. Variabilele de intrare ale proiectului au fost TMA și TPC. Proiectarea a fost realizată folosind Design Expert 10.0.3.1 (versiune de încercare, Minneapolis, MN, SUA).

A fost un design Box-Behnken bazat pe un model de suprafață de răspuns polinomial de ordinul doi (pătratic) folosind următoarea ecuație:

unde: y este răspunsul prezis (TMA sau TPC), xi reprezintă nivelurile codificate ale variabilei de proiectare (concentrația solventului, timpul, temperatura și frecvența cu ultrasunete; Tabelul 1), b0 este o constantă, bi reprezintă efectele liniare, bii reprezintă efectele pătratice și bij reprezintă efectele de interacțiune.

Parametrii au fost optimizați pentru a obține cea mai mare concentrație de TMA și TPC utilizând abordarea funcțională a dorinței [46].

3. Rezultate si discutii

3.1. Influența parametrilor de extracție asupra randamentului TMA și TPC

Compușii vizați au fost ulterior extrasați prin ultrasunete cu doi solvenți diferiți, și anume 2-propanol și metanol. Influența selecției solventului de extracție asupra randamentului de extracție a fost studiată în continuare prin variația concentrației solventului și înregistrarea modificărilor în solubilitatea fenolilor și antocianinelor. În mod similar, a fost investigat și efectul creșterii temperaturii de extracție și al extinderii timpului de sonicare. Influența parametrilor TMA și TPC sunt prezentate în Tabelul 2, iar interacțiunile dintre parametrii de extracție sunt prezentate în Tabelul 3 .

masa 2

Analiza varianței TMA și TPC ca funcții de frecvență cu ultrasunete, tip de solvent, concentrații, temperaturi și timpi.

Parametrul TMA (mg/g) –Valori mediiTPC (mg/g) –Valori medii
Tipul solventului2-Propanol5.3742,54
Metanol4.5846,53
Raport F ANOVA 215,32 ***158,92 ***
Concentrația solventului (%)505.4045,72
705.0144,65
904.5143,24
Raportul F ANOVA 92,78 ***20,72 ***
Frecvență cu ultrasunete (kHz)12.54,9243,52
25.06.0348,92
37,53,9741,17
Raportul F ANOVA 493,90 ***210,32 ***
Temperatura (° C)505.0848,76
605.1745,05
704,6839,80
Raportul F ANOVA 31,88 ***269,92 ***
Timp (min)154,8443,38
305.2448,18
454,8442.05
Raport F ANOVA 24,73 ***138,47 ***

*** p 0,05, * p Tabelul 2 arată, 2-propanol a dat randamente de extracție mai mari de antocianină monomerică totală (concentrație medie de 5,37 mg/g tescovină de struguri) în comparație cu metanol (medie de 4,58 mg/g). Ca rezultat, alegerea extracției cu solvent a avut un efect semnificativ asupra randamentului de extracție al TMA (p 2) în comparație cu 2-propanol (23,3 mJ/cm2) [51]. Pentru același soi de struguri roșii (Vitis vinifera Moldova) Budiul și Albulescu [52] au raportat un conținut total de fenol de 1164,3 mg/L pentru extracția Soxhlet cu metanol și de 1562,75 mg/L pentru extracția cu un amestec de MeOH: H2O: HCl 90: 9,5: 0,5, v/v). Drosou și colab. [53] a arătat anterior că extracția asistată de ultrasunete a tescovinei de struguri duce la randamente mai mari de extracție a compușilor fenolici decât extracția Soxhlet în etanol sau apă. Prin urmare, ar trebui să se aștepte o creștere mare a randamentului de extracție atunci când se utilizează un tratament cu ultrasunete.

3.1.2. Frecvență cu ultrasunete

3.1.3. Temperatura și timpul

După cum sa menționat anterior, timpul este un alt factor critic în extracția compușilor fenolici. În acest studiu, timpul de extracție a fost crescut treptat după cum urmează: 15 min, 30 min și 45 min. În acest fel, perioada de extracție necesară pentru a obține randamente maxime de antocianine monomerice totale și compuși fenolici totali din tescovină de struguri a fost de aproximativ 30 min. Creșterea extracției compușilor vizați la perioade prelungite de sonicare a fost observată de numeroși cercetători și a fost atribuită faptului că undele ultrasonice afectează rata de transfer de masă în principal în etapa de penetrare a solventului [63,64]. González-Centeno și colab. [65] au studiat extragerea apoasă cu ultrasunete a antioxidanților din tescovină de struguri pentru a investiga efectul frecvenței acustice, densității puterii ultrasonice și timpul de extracție. În ceea ce privește timpul de extracție, cercetătorii au raportat că condițiile optime implicau o sonicare de 25 de minute. Ghafoor și colab. [66] a optimizat variabilele de proces ale EAU ale antocianinelor, compușilor fenolici și antioxidanților din semințele de struguri, obținând niveluri de timp de extracție în jur de 30 min, după cum urmează: 29,03 min pentru compușii fenolici, 30,58 min pentru antioxidanți și 29,49 pentru antociani.