Биотехнологический способ повышения качества напитков, полученных на основе растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.81

Биотехнологический способ повышения качества напитков,

полученных на основе растительного сырья

Е. И. Курбатова,

канд. техн. наук, доцент;

Е. Н. Соколова,

канд. биол. наук; ЮА. Борщева,

канд. техн. наук; Н. В. Шелехова,

д-р техн. наук; Л. В. Римарева,

д-р техн. наук, академик РАН ВНИИ пищевой биотехнологии филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи

В

связи с ухудшением экологической обстановки, негативно воздействующей на организм человека, возникла необходимость в создании новых и увеличении объемов имеющихся продуктов функционального назначения, обладающих высокой пищевой и биологической ценностью для различных возрастных и социальнык групп населения [1].

Результаты мониторинга состояния здоровья детского и взрослого населения страны выявили широкое распространение дефицита биологически ценных веществ у большей части обследованнык. К важнейшим из выявленных макро- и микронутри-ентов, недостаток которых в рационе питания человека приводит к возникновению или усугублению хронических заболеваний, относят [2]:

• витамины С, В1, В2, В6, фолиевую кислоту, бета-каротин;

• кальций и калий при одновременном избытке натрия за счет повышенного потребления поваренной соли;

• йод, селен, железо, цинк, фтор;

• дефицит пищевык волокон. Поэтому, при создании продуктов здорового питания необходимо включать в состав их рецептур недостающие биологически активные ингредиенты, обладающие широким спектром действия на организм человека, или физиологически активный компонент направленного действия.

Научные исследования в области получения пищевых продуктов и биологически активных добавок, содержащих функционально ценные компоненты, а также выявления их физиологического действия на ор-

ганизм различных групп населения крайне актуальны и востребованы [3, 4].

При создании функционального продукта один из основных этапов заключается в выборе и обосновании функциональны« ингредиентов, формирующих новые свойства продукта, связанные с его способностью оказывать благоприятное физиологическое воздействие. Второй значимым аспект в технологии такого продукта связан с потенциальной возможностью функ-циональнык ингредиентов изменять потребительские свойства пищевого продукта, который не должен отличаться от традиционной пищи. В связи с этим их выбор и обоснование должны осуществляться с учетом совокупности потребительских свойств и целевого физиологического воздействия создаваемого функционального продукта для питания населения

[5, 6].

Цель исследований состояла в разработке биотехнологического способа переработки растительного сырья с максимальным извлечением из него биологически активных ингредиентов для дальнейшего использования при конструировании напитков сбалансированного состава.

Материалы и методы. Объектами исследований стали: пшеничный экс-трудат — как источник белковык веществ, аминокислот, пищевых волокон, минеральных веществ и витаминов; а также плодово-ягодное сырье: яблоки (источник витаминов С, В1, В2, Р, Е, бета-каротина, микро-, макроэлементов, пектиновых веществ, моно-, ди-, олигосахаридов, органических кислот, флавоноидов) и черная смо-

ПИВО и НАПИТКИ

4•2018

родина (источник витаминов С, Вр P, провитамина А, органических кислот, моно-, ди-, олигосахаридов, гли-козидов, флавоноидов, пектиновых, дубильных, антоциановыгх веществ, флавонолов, азотистых веществ, а также полиненасыщенныгх жирныгх кислот в семенах).

Количественный и качественный состав биологически активныгх компонентов в ферментолизатах растительного сырья изучали следующими методами: концентрацию раствори-мыгх белковых веществ — методом Лоури [7]; редуцирующих веществ — методом Шомоди—Нельсона [8]; содержание органических кислот и микроэлементов — методом капиллярного электрофореза на приборе Agilent 7100; содержание витамина С — титриметрическим методом [9]; количественное содержание токоферолов — методом ВЭЖХ по Р. 4.1.1672-03; антоцианов — по ГОСТ Р 53773-2010 и каротиноидов — по ГОСТ Р 51443-99; аминокислотный состав — на аминокислотном анализаторе «KNAUER Advanced scientific instruments».

Результаты и обсуждение. Исследования, направленные на изучение влияния ферментативной обработки на степень деструкции клеточных полимеров плодово-ягодного и зернового сырья позволили вышвить наиболее эффективные мультиэнзимные композиции, способствующие более глубокой деструкции растительной ткани и повышению выкода ценныгх компонентов. Для перевода в растворимую часть и извлечения ценных биологически активных веществ использовали энзиматические системы, содержащие ферменты амилолити-ческого, глюканолитического, пек-толитического и протеолитического действия, подобранные для каждого вида растительного сырья индивидуально.

Таким образом, для гидролиза полимеров растительного сырья были выбраны ферментные системы целевого назначения, включающие: ферменты пектинолитического (полига-лактуроназа и пектинэстераза) и цел-люлолитического действия — для черной смородины; эндо^-глюканазу, пектиназу (преимущественно поли-галактуроназа) и протеиназу — для яблочного сырья; а-амилазу, глюкоа-милазу, протеазу и ß-глюканазу — для пшеничного экструдата. Результаты использования подобранный муль-

Контроль Яблоки Черная смородина Пшеница

■ Каротиноиды Токоферолы Свободные аминокислоты Антоцианы

Рис. 1. Влияние направленной биокаталитической деструкции клеточных полимеров растительного сырья на выход БАВ

Таблица 1

Исследуемая Пшеница Яблоки Черная смородина

кислота, мг/дм3 контроль опыт контроль опыт контроль опыт

Фумаровая 6,1 12,6 - - - -

Яблочная 112,0 210,8 4053,0 4597,4 3112,5 3218,7

Лимонная 10,9 23,03 43,0 83,3 46 475,0 48 070,8

Янтарная 8,1 22,7 - - - -

Таблица 2

Исследуемый Пшеница Яблоки Черная смородина

микроэлемент, мг/дм3 контроль опыт контроль опыт контроль опыт

Фосфор 50,5 110,9 90,0 93,1 742,5 892,5

Калий 208,8 329,8 1068,0 1165,1 2407,5 2590,3

Кальций 13,3 19,4 22,5 58,9 215,0 237,0

Натрий 2,9 4,1 18,0 57,0 20,0 27,5

Магний 18,9 36,7 35,5 48,1 87,5 95,0

Марганец 0,5 0,7 - - -

Литий 0,8 1,3 - - - -

тиэнзимных систем представлены на рис. 1.

Экспериментально установлено, что в результате биокатализа полимеров черносмородинового сырья выход каротиноидов увеличен на 62,8 %; антоцианов — на 37,5; свободных аминокислот — на 100 %. При использовании яблочного сырья концентрация каротиноидов в экстрактах повышена на 92,3 %, токоферолов — на 45,0, свободных аминокислот — на 100 %. В пшеничном экстракте отмечено повышение выхода токоферолов на 81,8 %, а также содержания свободных аминокислот — на 200 %.

Методом капиллярного электрофореза изучали влияние ферментативного катализа на содержание органических кислот (табл. 1), а также макро- и микроэлементов (табл. 2) в полученных ферментолизатах.

Показано, что воздействие ферментативного катализа оказало существенное влияние на степень

деструкции клеточных полимеров пшеничного сырья, что способствовало существенному повышению выхода янтарной кислоты (на 180,2 % от контрольного образца). Этот факт особенно важен, так как именно пшеница служит основным источником этого биологически активного компонента. Концентрация фумаровой, яблочной и лимонной кислот увеличилась на 88,2-111,3 %. Биодеградация структурных полимеров плодово-ягодного сырья отразилась на выходе яблочной и лимонной кислот, причем в черносмородиновом сырье в меньшей степени.

Результаты исследований ионного состава ферментолизатов показали, что биокаталитическая деструкция обеспечивала повышение степени высвобождения катионов и анионов из биополимерного матрикса растительного сырья (см. табл. 2).

Наиболее широкий спектр микроэлементов отмечен в ферментолиза-

4•2018 ПИВО и НАПИТКИ 55

ТЕХНОЛОГИЯ'

те пшеницы, при этом повышение выхода минеральных компонентов в жидкую фракцию в результате биокатализа полимеров клеточных стенок составило от 40,0 (марганец) до 119,6 % (фосфор). Менее существенные изменения в концентрации микроэлементов отмечены при деструкции клеточных полимеров черной смородины: увеличение вы-

хода фосфора, калия, кальция, натрия, магния варьировало в диапазоне от 8,6 до 37,5 %.

На основании полученных экспериментальных данных выявлено, что изученные органические кислоты и микроэлементы в нативном сырье находятся в связанном состоянии, а применение гидролитических ферментных систем для деградации кле-

а_

1 2 3 4 5

Образец

Ферментолизат яблок Ферментолизат черной смородины Ферментолизат пшеницы Дрожжевой ферментолизат

Рис. 2. Компонентный состав экспериментальных образцов функциональных напитков

Таблица 3

Компонент Содержание компонента в образцах, % от суточной нормы*

функционального напитка 1 2 3 4 5

Минеральный состав (микро- и макроэлементы) 0,015-9,6 0,05-33,6 0,26-168,0 15,0-144,0 20,0-192,0

Фосфор 8,1 25,7 126,5 103,6 144,2

Кремний 9,6 33,6 168,0 144,0 192,0

Селен 7,3 25,5 127,3 109,1 145,5

Железо 1,9 18,7 25,1 22,5 27,6

Магний 5,3 8,1 36,0 31,2 40,6

Калий 3,8 1,7 19,7 17,1 23,1

Медь 0,015 0,05 0,26 15,0 20,0

Витамины 8,7-140,5 7,0-80,6 10,4-78,8 12,7-97,2 26,1-72,4

р-Каротин 18,8 10,8 10,4 12,7 -

С 140,5 80,6 78,8 97,2 26,1

8,7 22,6 64,2 55,9 72,4

В2 - 13,9 56,5 48,8 63,8

В6 - 7,0 35,0 30,0 40,0

РР - 16,7 36,2 31,9 40,5

Е - 12,6 - - -

Фолиевая кислота - - - 15,3 -

Аминокислоты 8,2-28,0 7,6-56,1 37,9-240,7 32,5-206,4 43,3-275,0

Валин 13,9 48,2 240,7 206,4 275,0

Триптофан 28,0 56,1 220,9 192,7 246,3

Фенилаланин 8,2 28,6 143,2 122,7 163,6

Глицин - 11,1 40,8 35,0 46,6

Метионин - 9,5 47,7 40,9 54,5

Гистидин - 12,9 59,5 51,5 66,9

Аргинин - 7,6 37,9 32,5 43,3

Фенольные вещества (в том числе антоцианы, флавоноиды) 156,6 78,3 58,7 113,0 19,5

Моно-, дисахариды 117,0 83,0 56,0 79,0 34,0

* Рассчитано в соответствии с «Нормами физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения РФ»

точных полимеров позволяет высвободить и перевести их в растворимое состояние. Эффективность биокатализа полимеров в наибольшей степени отразилась на выходе кальция, магния и натрия в ферментолизате яблочного сырья; фосфора, калия и магния — в ферментолизате пшеничного экструдата; фосфора — при воздействии на черносмородиновое сырье.

Таким образом, исследованный состав БАВ в полученных ферментоли-затах растительного сырья указывает на возможность конструирования напитков согласно принципам пищевой комбинаторики, основанным на сочетании различных функциональных компонентов в разных соотношениях с необходимостью учета потребностей различных групп населения в физиологически активных веществах. В качестве биокорректора белково-аминокислотного состава, витаминов группы В, для получаемых напитков применяли ферментолизат дрожжевой биомассы, характеризующийся высокой пищевой и биологической ценностью [10-12].

На следующем этапе были проведены исследования, направленные на разработку напитков функционального назначения на основе ферментоли-затов с повышенным содержанием БАВ, исключая введение синтетических корректоров. Конструирование экспериментальных образцов осуществляли основываясь на рекомендуемые нормы потребности целевых компонентов с различной функциональной направленностью [13]:

• коррекция работы иммунной системы: витамин С, триптофан, бета-каротин и валин (образец 1);

• профилактика возрастных изменений: витамины С, РР, В1, В2, Е; гистидин, триптофан, валин и глицин, фенилаланин, фосфор, железо и селен (образец 2);

• поддержка мышечного тонуса при повышенных физических нагрузках: гистидин, триптофан, валин, глицин, фенилаланин, метионин, аргинин; витамины С, РР, В1, В2, В6, фосфор, калий, железо, магний, медь, кремний и селен (образец 3);

• коррекция дефицита витамина В9 (фолиевая кислота) как продукт, востребованный при беременности, для снижения рисков новообразований: магний, кремний, железо, а также набор незаменимых аминокислот (образец 4);

56 ПИВО и НАПИТКИ 4•2018

as 80 т

ГО

£ 70

с

го

= 60

ь

£ 50

Ю

§ 40

[Z

¡5 30

X

I 20

S

II 10 I 0

lllll

1 2 3 4 5

Образец

Рис. 3. Антиоксидантная способность экспериментальных образцов функциональных напитков

• профилактика заболеваний, связанных с возникновением стрессовых ситуаций и нервных напряжений: витамин С, магний, незаменимые аминокислоты (образец 5). Конструирование экспериментальных образцов напитков осуществляли по полученным экспериментальным данным содержания в ферментоли-затах основных функциональных ингредиентов. Ферментолизат черной смородины — источник витамина С, р-каротина и антоцианов, фермен-толизат яблочного сырья — источник фосфора, железа, магния, калия; фер-ментолизат пшеницы — источник янтарной кислоты, витаминов В1, В2, РР, Е, кремния и токоферолов (рис. 2).

В полученных экспериментальных образцах напитков функционального назначения был изучен биохимический состав (табл. 3).

Согласно ГОСТ Р 52349-2005 пищевой продукт может быть отнесен в разряд функциональных пищевых продуктов (ФПП), если содержание в нем биоусвояемого функционального компонента находится в пределах 10-50 % от среднесуточной потребности в соответствующем нутриенте. Экспериментально подтверждено, что состав биологически активных компонентов в полученных образцах соответствует данным требованиям и может быть отнесен в разряд ФПП, так как уровень биологически активных компонентов в напитках превышает 10 %.

Напитки, получаемые на основе ферментолизатов растительного сырья, обогащаются легко усвояемыми веществами углеводной и белковой природы, способствующими формированию вкусо-ароматической и биохимической составляющей в получаемом продукте. Так, напитки на основе ферментолизатов яблочного

сырья, будут обладать профилактическим эффектом для людей с сердечнососудистыми и простудными заболеваниями за счет содержания в них макроэлементов калия и магния, а также яблочной кислоты. Напитки на основе черносмородинового сырья — профилактическим действием для людей с ослабленным иммунитетом за счет повышенного содержания витамина С. Повышение выхода янтарной кислоты в ферментолизате пшеницы обуславливает перспективность его применения для конструирования напитка профилактического действия при склерозе кровеносных сосудов, заболевании почек и легких.

Следующим этапом исследований стало изучение функциональных свойств напитков, на примере анти-оксидантной способности (рис. 3), которую исследовали по степени ин-гибирования реакции аутоокисления адреналина.

Выявлено, что уровень антиокси-дантной способности полученных образцов натуральных функциональных напитков вследствие суммарной биологической активности природных компонентов достигал от 52,7 (образец 5) до 74,3 % (образец 1). При этом, наибольшей антиоксидантной способностью обладали напитки, содержащие в своем составе максимальное количество ферментолиза-та черной смородины, обладающего способностью к нейтрализации свободных радикалов.

Таким образом, показана возможность получения напитков с повышенным содержанием БАВ на основе направленной ферментативной деструкции полимеров растительного сырья. Экспериментально подтверждена возможность конструирования напитков функционального назначения по принципам пищевой ком-

ircvunnnrua

бинаторики, а также корректировки функциональных свойств получаемых продуктов путем изменения компонентного состава ферментолизатов в целевом продукте. При этом, функциональные напитки, получаемые на основе ферментолизатов растительного сырья перспективны для употребления всеми группами населения, так как в них сочетается вкусо-ароматическая составляющая и набор функциональных ингредиентов.

Научно-исследовательская работа по подготовке рукописи проведена за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы Фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 20132020 годы (тема № 0529-2014-0109).

ЛИТЕРАТУРА

1. Шендеров, Б.А. Современное состояние и перспективы развития концепции «Функциональное питание» / Б. А. Шендеров // Пищевая промышленность. — 2003. — № 5. — С. 4-7.

2. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 14 июня 2013 г. N 31 «О мерах по профилактике заболеваний, обусловленных дефицитом микронутриентов, развитию производства пищевых продуктов функционального и специализированного назначения» // Российская газета. — 2013. — 18 сент. (№ 208).

3. Тутельян, В. А. От концепции государственной политики в области здорового питания населения России — к национальной программе здорового питания /

B. А. Тутельян // Клиническое питание. — 2004. — № 2. — С. 2-4.

4. Milner, J. A. Functional foods and health: a US perspective /J. A. Milner // British J. Nutrition. — 2002. — Vol. 88, Suppl. 2. — Pp. 151-158.

5. Поверин, Д.И. Научные основы промышленного производства продуктов функционального питания из различных видов растительного сырья / Д. И. Поверин. — М.: МГУТУ, 2002. — 269 с.

6. Траубенберг, С. Е. Применение биотехнологических приемов для переработки ягод красной смородины и брусники /

C. Е. Траубенберг // Известия ВУЗов. Пищевая технология. — 2008. — № 2-3. — С. 67-69.

7. Общая фармакопейная статья 1.2.3.0012.15. Определение белка [Электронный ресурс]. — URL: http://pharmacopoeia.ru/ofs-1-2-3-0012-15-opredelenie-belka/ (дата обращения: 14.08.2017)

8. Синицын, А. П. Методы исследования и свойства целлюлолитических ферментов

4•2018 ПИВО и НАПИТКИ 57

ТЕХНОЛОГИЯ'

/ А. П. Синицын, В. М. Черноглазов, А. В. Гусаков. — М.: ВИНИТИ, 1990. — Т. 25. — С. 30-37.

9. Сизова, Л. С. Аналитическая химия. Титри-метрический и гравиметрический методы анализа: учебное пособие для студентов вузов / Л. С. Сизова, В. П. Гуськова. — Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2006. — 2-е изд. испр. и доп. — 132 с.

10. Римарева, Л.В. Медико-биологические и биотехнологические аспекты создания

продукции геродиетического питания / Л. В. Римарева [и др.] // Пищевая промышленность. — 2009. — С. 29-32.

11. Серба, Е. М. Исследование процесса ферментативного гидролиза биомассы дрожжей для создания пищевых ингредиентов с заданным фракционным составом белковых веществ / Е. М. Серба [и др.] // Вопросы питания. — 2017. — Т. 86. — № 2. — С. 82-89.

12. Серба, Е. М. Исследование фракционного состава биокорректоров пищи из дрожже-

вой биомассы для создания на их основе функциональных продуктов целевого назначения / Е. М. Серба [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2013. — № 11. — С. 18-21.

13. МР 2.3.1.2432-08. Рациональное питание. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации. — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзо-ра, 2009. — 36 с. &

Биотехнологический способ повышения качества напитков, полученных на основе растительного сырья

Ключевые слова

биокатализ; биологически активные ингредиенты; растительное сырье; ферменты; функциональные напитки.

Реферат

В настоящее время возникает необходимость в создании новых функциональных продуктов питания, обладающих высокой пищевой и биологической ценностью. Научные исследования, направленные на получение пищевых продуктов и биологически активных ингредиентов, содержащих функционально ценные компоненты, а также выявление их физиологического действия на организм человека крайне актуальны и востребованны. Цель данной работы состояла в разработке биотехнологического способа переработки растительного сырья с максимальным извлечением из него биологически активных ингредиентов для дальнейшего применения при конструировании напитков сбалансированного состава. В статье приведены экспериментальные данные по выходу основных биологически активных веществ при биокаталитической обработке плодово-ягодного и зернового сырья. Выявлено, что в результате биокатализа полимеров черносмородинового сырья значительно увеличен выход каротиноидов на 62,8 %; антоцианов - на 37,5; свободных аминокислот - на 100 %; при использовании яблочного сырья концентрация каротиноидов в экстрактах повышена на 92,3 %, токоферолов - на 45, свободных аминокислот - на 100 %. В пшеничном экстракте отмечено повышение выхода токоферолов на 81,8 %, содержание свободных аминокислот - на 200 %. Установлено, что ферментативный катализ существенно сказался на степени деструкции клеточных полимеров пшеничного сырья. Отмечено повышение выхода янтарной кислоты на 180,2 %; минеральных компонентов - от 40,0 до 119,6 % от контроля. На основании полученных данных сконструированы функциональные напитки в соответствии с рекомендуемыми нормами физиологической потребности в пищевых веществах. Показано, что напитки, получаемые на основе ферментолизатов растительного сырья, обладают антиоксидантными свойствами и перспективны для употребления всеми группами населения, так как в них сочетается вкусо-ароматическая составляющая и набор функциональных ингредиентов.

Авторы

Курбатова Елена Ивановна, канд. техн. наук, доцент;

Соколова Елена Николаевна, канд. биол. наук;

Борщева Юлия Александровна, канд. техн. наук;

Шелехова Наталия Викторовна, д-р техн. наук;

Римарева Любовь Вячеславовна, д-р техн. наук, академик РАН

ВНИИ пищевой биотехнологии -

филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи,

111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, д. 4б,

[email protected], [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected]

Biotechnological Method of Improving the Quality of Beverages Derived from Vegetable Raw Materials

Key words

biocatalysis; biologically active ingredients; plant raw materials; enzymes; functional beverage.

Abstract

At present, there is a need to create new functional food products with high nutritional and biological value. Scientific research, that aimed at obtaining food products and biologically active ingredients, with functionally valuable components in its composition, as well as revealing their physiological effect on the human body, is extremely relevant and in demand. The aim of this work was to develop a biotechnological method of plant raw material processing with the maximum extraction of the biologically active ingredients for further use in the design of balanced beverages. The article presents experimental data on the yield of basic biologically active substances as a result of biocatalytic treatment of fruit and berry and grain raw materials. It is shown that as a result of biocatalysis of blackcurrant raw materials polymers, the yield of carotenoids was significantly increased by 62.8 %; of anthocyanins - by 37.5; of free amino acids - by 100 %; when using apple raw materials, the concentration of carotenoids in extracts is increased by 92.3 %, of tocopherols - by 45.0, of free amino acids by 100 %; in wheat extract is registered to increase the yield of tocopherols by 81.8 %, the content of free amino acids - by 200 %. It was found that enzymatic catalysis significantly affected on degree of destruction cellular polymers of wheat raw materials, it is shown an increase in the yield of succinic acid by 180.2 % compared to the control sample; the increase level of mineral components was from 40.0 to 119.6 % in comparison with the control. On the basis of the data obtained, functional beverages in accordance with the recommended standards of physiological requirements in food substances are designed. It is shown that beverages obtained on the basis of fermen-tolysates of plant raw materials have antioxidant properties and are promising for use by all population groups, because they combine the flavor and aroma component and a set of functional ingredients.

Authors

Kurbatova Elena Ivanovna,

Candidate of Technical Science, Associate Professor;

Sokolova Elena Nikolaevna, Candidate of Biological Science;

Borsheva Julia Aleksandrovna, Candidate of Technical Science;

Shelehova Natalia Viktorovna, Doctor of Technical Science;

Rimareva Luybov Vyacheslavovna,

Doctor of Technical Science, Academician of RAS

Russian Research Institute of Food Biotechnology -

branch of Federal Research Center of Food and Biotechnology,

4b Samokatnaya Str., Moscow, 111033, Russia,

[email protected], [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected]

58 ПИВО и НАПИТКИ 4•2018