Изучение влияния предварительной обработки плодов и ягод ферментными препаратами на выход и антиоксидантную активность экстрактов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 664.8.022.6:634

Н.Б. Еремеева, Н.В. Макарова

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПЛОДОВ И ЯГОД ФЕРМЕНТНЫМИ ПРЕПАРАТАМИ НА ВЫХОД И АНТИОКСИДАНТНУЮ

АКТИВНОСТЬ ЭКСТРАКТОВ

Одним из приоритетных направлений развития технологии пищевой промышленности является разработка инновационных технологий переработки плодово-ягодного сырья на основе создания и применения высокоэффективных биотехнологических методов обработки сырья, интенсифицирующих производственные процессы, снижающих энергоемкость и обеспечивающих высокое качество пищевой продукции. В данной работе исследуется влияние ферментных препаратов на химический состав и выход плодово-ягодных экстрактов. Была проведена серия экспериментов, в которых перед получением экстракта плоды и ягоды были предварительно обработаны ферментами. В ходе эксперимента было использовано три ферментных препарата: Pectinex® BE XXL, Pectinex® Yieldmash Extra, Amylase™ AG 300 L. Наблюдается тенденция роста содержания фенольных веществ в экстрактах с предварительной обработкой ферментными препаратами от 120,8% (черная смородина, Pectinex® Yieldmash Extra) до 146,5% (малина, Pectinex® Yieldmash Extra) по сравнению с контрольным образцом. Наибольшее увеличение выхода для всех плодов и ягод происходит при использовании ферментного препарата Pectinex® Yieldmash Extra: для черной смородины увеличение произошло в 1,37 раза, для малины - 1,36 раза, для вишни - 1,49 раза, для черноплодной рябины - 1,40 раза.

Ключевые слова: экстракция, ферментные препараты, плодово-ягодное сырье.

N.B. Eremeeva, N.V. Makarova

EFFECT OF PRETREATMENT OF FRUIT AND BERRIES WITH ENZYME PREPARATIONS ON YIELD AND ANTIOXIDANT ACTIVITY OF THE EXTRACTS

One of the priorities in the development of technology of food industry is to develop innovative technologies for processing fruit and berry raw materials through the establishment and application of highly effective biotech-nological methods of processing of raw materials, intensifying production processes, reducing energy consumption and providing high quality food products. In this paper, we investigate the influence of enzyme preparations on chemical composition and yield of fruit and berry extracts. A series of experiments in which before the preparation of the extract the fruits and berries were pre-treated with enzymes was conducted. In the course of the experiment three enzyme preparations: Pectinex® BE XXL, Pectinex® Yieldmash Extra, Amylase™ AG 300 L. were used. There was a trend of increasing content of phenolic substances in extracts with enzyme preparation pre-treatment from 120,8% (black currant, Pectinex® Yieldmash Extra) up to 146,5% (raspberry, Pectinex® Yieldmash Extra) compared to the control sample. The greatest increase in yield for all fruits and berries occured when using enzyme preparation Pectinex® Yieldmash Extra for black currant there was an increase of 1,37 times, for raspberry - 1,36, for cherry - 1,49, for black chokeberry - 1,40.

Key words: extraction, enzyme preparations, fruit-berry raw material.

DOI: 10.17217/2079-0333-2018-43-55-59

Введение

Фрукты и ягоды состоят из кожицы, мякоти и семян или косточек. Клетки мякоти удерживаются жесткой клеточной стенкой, которая позволяет сохранить им четко определенную форму и выдерживает внутреннее давление и воздействие извне. Темные ягоды: черная смородина, черноплодная рябина, вишня, малина - имеют общие свойства: темный цвет им придает пигмент антоциан, являющийся эффективным антиокисдантом. Многие из таких ягод обладают приятным вкусом и запахом, благодаря чему они являются важным сырьем для производства соков.

Одним из приоритетных направлений развития науки является разработка инновационных технологий переработки плодово-ягодного сырья на основе создания и применения высокоэффективных биотехнологических методов обработки сырья, интенсифицирующих производственные процессы, которые снижают потребление энергии и обеспечивают высокое качество пищевых продуктов [1, 2].

При получении экстрактов не обязательно полностью разрушать клеточные стенки мякоти фруктов и ягод [3]. Для ускорения экстракции необходимо уменьшить вязкость затора. Пектин присутствует во всех фруктах и ягодах и образует после отжима гели, удерживая сок в заторе, снижая прессуемость и выход сока, и делает невозможным выпаривание воды. Эти задачи способно решить успешно развивающееся направление - использование ферментных препаратов [4]. Использование ферментных препаратов позволяет увеличивать рост производительности любого технологического процесса, при этом улучшая качество конечного продукта и повышая его выход из единицы перерабатываемого сырья [5]. Использование ферментных препаратов может позволить перерабатывать фрукты и ягоды при относительно невысоких температурах (до 50°С), что способствует сохранению их антиоксидантой активности [6].

При создании эффективной технологии переработки плодов и ягод для получения экстракта требуется знание специфики сырья и действия ферментов. Дозы ферментных препаратов, вносимых в обрабатываемую мезгу, зависят от вида сырья, комплексности и активности ферментов, представленных в ферментных препаратах, а эффективность их применения обуславливается целым рядом факторов, в том числе предварительной обработкой сырья, температурой, pH, длительностью обработки.

Материалы и методы

Представленная работа выполнена в Самарском государственном техническом университете на кафедре «Технология и организация общественного питания».

В качестве объекта исследования были выбраны плоды и ягоды черной смородины (ЧС), малины (М), вишни (В) и черноплодной рябины (ЧР), произрастающие на территории Самарской области.

Химические вещества и реагенты. Этанол, дистиллированная вода. Реактив Фолин-Чеколтеу, галловая кислота были приобретены у фирмы Fluka (Германия). DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил), нитрит натрия, хлорид алюминия, карбонат натрия, линолевая кислота были приобретены у Sigma-Aldrich Chem. 2,4,6-три(2-пиридил)^-триазин (TPTZ) был приобретен у фирмы Fluka Chemicals (Spain). Соляная кислота, хлорид калия, уксусная кислота, ацетат натрия, фосфат натрия, хлорид железа (II), хлорид железа (III), роданид аммония.

В работе применяли ферментные препараты пектолитического действия: Pectinex® BE XXL, Pectinex® Yieldmash Extra, Amylase™ AG 300 L (производство Novozymes, Дания).

Общее содержание фенольных соединений. Общее содержание фенольных веществ в водно-спиртовых плодово-ягодных экстрактах определяли с использованием модифицированного метода Фолин-Чеколтеу [7]. Галловая кислота использовалась как стандарт: водный раствор галловой кислоты (200 мг в 1 л) разбавляли дистиллированной водой для получения калибровочной кривой. Для анализа взяли 0,50 мл водно-спиртового экстракта или стандарта галловой кислоты, 4,00 мл дистиллированной воды, 0,25 мл реактива Фолин-Чеколтеу и 0,25 мл насыщенного водного раствора карбоната натрия. Образцы выдержали без доступа света 30 мин при комнатной температуре. Коэффициент поглощения определяли при 725 нм на спектрофотометре. Результаты выражали в мг эквивалента галловой кислоты в 100 г сухого веса (ФВ, мг ГК / 100 г ИС).

Общее содержание флавоноидов. Содержание флавоноидов в водно-спиртовых экстрактах измеряли по измененному методу [8]. Экстракт или стандартный раствор катехина в объеме 0,50 мл добавляли в мерную пробирку объемом 10 мл. Затем добавляли 2,50 мл дистиллированной воды, в начальный момент времени добавляли 0,15 мл 5%-ного нитрита натрия, а через 5 мин - 0,30 мл 10%-ного хлорида алюминия. Смесь выдерживали еще 5 мин. Коэффициент поглощения измеряли при 510 нм. Содержание флавоноидов выражали в мг эквивалентов катехина в 100 г сухого веса (Фл, мг К/ 100 г ИС).

Определение антоцианов. Анализ общего содержания антоцианов, присутствующих в исследуемом экстракте, делали путем измерения коэффициента поглощения при двух различных pH (1,0 и 4,5) при 515 и 700 нм [9]. Содержание антоцианов выражали в мг эквивалент циани-дин-3-гликозида в 100 г сухого вещества (Ац, мг ЦГ/ 100 г ИС).

Антиоксидантная активность в системе линолевой кислоты. Антиоксидантную активность в системе линолевой кислоты определяли следующим образом [10]: к 1,0 мл исследуемого экстракта добавляли 0,5 мл этилового спирта, 0,5 мл дистиллированной воды, 1 мл линолевой кислоты и 2 мл фосфатного буфера (pH 7,0). Смесь оставляли при 40°C 120 ч. От смеси брали али-

квотную часть (0,1 мл), добавляли 9,7 мл 75%-ного этилового спирта, 0,1 мл 30%-ного раствора роданида аммония, выдерживали 4 мин и добавляли 0,1 мл раствора хлорида железа (II) (0,2 М в 3,5% HCl). Измеряли оптическую плотность при 500 нм на спектрофотометре. Антиоксидантная активность выражается в процентах ингибирования окисления линолевой кислоты (АОА, % инг.).

Антиоксидантная активность по методу DPPH. Антиоксидантная активность плодово-ягодных экстрактов определялась по методу [11]. Способ базируется на реакции антиоксидантов исходного сырья со стабильным хромоген-радикал 2,2-дифенил-1-пикрилгидрозил (DPPH). DPPH (4 мг) растворили в 100 мл этанола. Аликвоты анализируемого экстракта (0,05; 0,10; 0,40; 0,80; 1,00 и 5,00 мл) растворили в 100 мл дистиллированной воды. Далее 2,0 мл каждого раствора добавляли к 2,0 мл раствора DPPH при 20°C и выдерживали без доступа света в течение 30 мин. Определяли коэффициент пропускания при 517 нм. Антирадикальную активность выражали в виде концентрации исходного экстракта в мг/мл, при которой происходило связывание 50% радикалов (АРА, ЕС50, мг/мл).

Метод FRAP. Восстанавливающую силу анализируемого экстракта определяли по методу FRAP [12]. Для анализа использовали свежеприготовленный раствор FRAP: смесь 10 мл ацетатного буфера (pH 3,6), 1 мл 10% раствора хлорида железа (III) и 1 мл раствора TPTZ (10 ммоль/л TPTZ в 40 ммоль/л HCl), выдержанный 10 мин при температуре 37°C. К анализируемому экстракту (0,1 мл) добавили 3,0 мл дистиллированной воды и 1 мл раствора FRAP. Смесь выдерживали в течение 4 мин при температуре 37°C. Измеряли оптическую плотность при 593 нм. Восстанавливающую силу определяли по калибровочному графику и выражали в ммоль Fe2+ / 1 кг исходного сырья (ВС, ммоль Fe2+ / 1 кг ИС).

Все эксперименты были троекратно повторены.

Результаты и обсуждение

Авторы работы показывают влияние ферментных препаратов на химический состав и выход плодово-ягодных экстрактов. Была проведена серия экспериментов, в которых перед получением экстракта плоды и ягоды были предварительно обработаны ферментами. В ходе эксперимента было использовано три ферментных препарата: Pectinex® BE XXL, Pectinex® Yieldmash Extra, Amylase™ AG 300 L. Плоды и ягоды в соответствии с инструкцией предварительно были обработаны ферментными препаратами (2% от массы плодов и ягод) в течение 120 мин, температура варьировалась в зависимости от используемого фермента: Pectinex® BE XXL рекомендовано использовать при комнатной температуре (20-25°C), Pectinex® Yieldmash Extra и AmylaseTM AG 300 L - при 50°C. Далее обработанные плоды и ягоды подвергались экстракции 50%-ным водно-спиртовым раствором в соотношении 1:10 в течение 2 ч при температуре 40°C, отфильтровывались. Жидкую часть анализировали на антиокисдантную активность и выход экстракта. В качестве контрольного образца использовали экстракты плодов и ягод без предварительной обработки ферментами.

Результаты анализа на антиоксидантную активность плодов и ягод представлены в табл.1.

Таблица 1

Изменение химического состава и антиоксидантной активности в зависимости от используемого

ферментного препарата

Показатель Контроль Pectinex® BE XXL Pectinex Yieldmash Extra Amylase™ AG 300 L

ЧС М В ЧР ЧС М В ЧР ЧС М В ЧР ЧС М В ЧР

ФВ, мг ГК/ 100 г ИС 797 570 547 1013 947 758 451 967 963 835 461 918 931 787 403 870

Фл, мг К/ 100 г ИС 64 28 97 434 129 162 94 409 129 132 54 418 78 124 73 397

Ац, мг ЦГ/ 100 г ИС 108,21 93,51 99,95 790,89 120,00 107,14 60,50 424,53 104,96 84,07 76,88 413,83 120,67 100,62 59,60 539,85

АРА, ЕС50, мг/мл 15,5 12,5 22 1,2 49 21 43 3,8 44 19 39 5,6 36 18 36 6,3

ВС, ммоль Fe2+/ 1 кг ИС 6,48 11,88 11,88 18,36 14,04 12,06 7,11 26,46 15,3 12,87 8,19 26,46 12,42 13,32 8,01 27,72

АОА, % инг. 38,4 3,4 18,8 27,6 14,4 не обнаружено 9,2 5,3 не обна-руже-но не обна-руже-но 28 8,7 20,6 24,2 23,5 7,5

Как видно из табл. 1, наблюдается тенденция роста содержания фенольных веществ в экстрактах с предварительной обработкой ферментными препаратами от 120,8% (черная смородина, Pectinex® Yieldmash Extra) до 146,5% (малина, Pectinex® Yieldmash Extra) по сравнению с контрольным образцом. Содержание флавоноидов в анализируемых экстрактах для черной смородины и малины также увеличивается в 2,02 (Pectinex® Yieldmash Extra) и 5,78 (Pectinex® BE XXL) раз соответственно. Для вишни и черноплодной рябины не наблюдается увеличения фе-нольных веществ и флавоноидов в экстрактах после обработки ферментными препаратами, однако это не приводит и к их сокращению. Общее содержание антоцианов при обработке плодов и ягод ферментными препаратами практически не изменяется. По значению антирадикальной активности для всех плодов и ягод наблюдается отрицательная тенденция, однако наименьшее влияние из всех ферментных препаратов оказывает Amylase™ AG 300 L. Восстанавливающая сила у всех плодов и ягод после применения ферментных препаратов увеличивается, наибольшее увеличение происходит после применения Pectinex® Yieldmash Extra. Антиокислительная активность в системе линолевой кислоты не имеет какой-либо общей тенденции.

Анализируя все данные по антиоксидантной активности, видим, что применение ферментных препаратов не приводит к ее увеличению, однако и не снижает общую антиоксидантную активность в исследуемых экстрактах. Наиболее благоприятным для всех плодов и ягод будет использование ферментного препарата Pectinex® Yieldmash Extra.

Целесообразность использования ферментных препаратов в технологии производства будет определяться также выходом готового экстракта. В табл. 2 приведен материальный баланс экстракции с использованием и без использования ферментных препаратов.

Таблица 2

Материальный баланс экстракции с использованием и без использования ферментных препаратов

Используемый ферментный препарат Стадия и показатель

Исходные данные: масса исходного сырья, г Экстрагирование: содержание сухих веществ, % Готовый продукт: масса экстракта, г

ЧС | М | В | ЧР ЧС М В ЧР ЧС М В ЧР

Контроль 1000 13,6 12,5 14,3 15,4 235 207 222 232

Pectinex® BE XXL 19,8 17,8 19,3 20,5 327 247 303 307

Pectinex® Yieldmash Extra 17,4 15,6 19,7 21,3 324 282 331 324

Amylase™ AG 300 L 16,8 14,9 18,9 20,4 311 240 312 304

Материальный баланс этой стадии позволяет сделать вывод о том, что применение ферментных препаратов в технологии производства плодово-ягодных экстрактов позволяет увеличить выход конечного экстракта за счет увеличения сухих веществ. Наибольшее увеличение выхода для всех плодов и ягод происходит при использовании ферментного препарата Pectinex® Yieldmash Extra: для черной смородины увеличение произошло в 1,37 раза, для малины - 1,36 раза, для вишни - 1,49 раза, для черноплодной рябины - 1,40 раза. Можно предположить, что именно увеличение сухих веществ в экстрактах при использовании Pectinex® Yieldmash Extra способствуют увеличению антиоксидантной активности.

Выводы

Таким образом, по итогам представленного эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Применение ферментных препаратов способно приводить к изменению антиоксидантной активности плодово-ягодных экстрактов. Наиболее предпочтительно использование ферментного препарата Pectinex® Yieldmash Extra, после применения которого наблюдается наибольший эффект.

2. Количественный выход экстракта также увеличивается после применения ферментных препаратов. Как и при исследовании антиоксидантной активности, наибольший эффект в виде увеличения выхода конечного продукта дает ферментный препарат Pectinex® Yieldmash Extra. Поэтому наиболее целесообразно использование именно его в технологии производства плодово-ягодных экстрактов с высоким антиоксидантным действием.

Литература

1. Алексеенко Е.В., Быстрова Е.А. Мониторинг эффективности применения ферментных препаратов для обработки ягод брусники при получении сока // Вестник ВГУИТ. - 2015. - № 3. -С.177-181.

2. Комбинационный подход к разработке биоразлагаемой съедобной пленки на основе яблочного пюре / Д.Е. Быков, Н.В. Макарова, А.В. Демидова, Н.Б. Еремеева // Вестник Камчатского государственного технического университета [Bulletin of the Kamchatka State Technical University]. - 2017. - Вып. 41. - С. 33-39.

3. Кустова И.А., Макарова Н.В., Стулин В.В. Многокритериальная оптимизация процесса экстракции выжимок винограда с максимальным антиоксидантным действием // Вестник Камчатского государственного технического университета [Bulletin of the Kamchatka State Technical University]. - 2017. - Вып. 41. - С. 33-39.

4. Тимофеева В.Н., Саманкова Н.В., Азаренко Ю.П. Влияние ферментной обработки мезги сортовой аронии черноплодной и рябины садовой на выход сока // Пиво и напитки. - 2009. -№ 5. - С. 24-26.

5. Исследование процесса экстрагирования дикорастущих ягод Сибири с использованием биокаталитических методов / Е.А. Овсянникова, Т.Ф. Киселева, А.Н. Потапов, А.В. Дюжев // Техника и технология пищевых производств. - 2012. - № 4. - С. 110А-114.

6. Алексеенко Е.В., Быстрова Е.А., Дикарева Ю.М. Исследование влияния предварительной обработки ягод брусники с применением композиции ферментных препаратов на химический состав сока // Вестник ВГУИТ. - 2017. - Т. 79, № 1. - С. 282-289.

7. Ultrasound assisted extraction of polyphenols from black chokeberry / L.G. Alessandro, K. Kriaa, I. Nikov, K. Dimitrov // Separation and Purification Technology. - 2012. - V. 93. - P. 42-47.

8. Antioxidant Activities of Chokeberry Extracts and the Cytotoxic Action of Their Anthocyanin Fraction on HeLa Human Cervical Tumor Cells / D. Rugina, Z. Scontxa, L. Leopold, A. Pintea, A. Bunea, C. Socaciu // Journal of Medicinal Food. - 2012. - V. 15, № 8. - P. 700-706.

9. ГОСТ Р 53773-2010. Продукция соковая. Методы определения антоцианинов.

10. Oszmianski J., Wojdylo A. Aronia melanocarpa phenolics and their antioxidant activity // European Food Research and Technology. - 2005. - № 221. - С. 809-813.

11.Демидова А.В., Макарова Н.В. Влияние режимов бланшировки на физико-химические свойства и антиоксидантную активность фруктового сырья на примере вишни, сливы, черноплодной рябины и клубники // Пищевая промышленность. - 2016. - № 2. - С. 40-43.

12. Стрюкова А.Д., Макарова Н.В. Замороженные ягоды - эффективный антиоксидант в течение всего года // Пищевая промышленность. - 2013. - № 3. - С. 28-31.

Информация об авторах Information about the authors

Еремеева Наталья Борисовна - Самарский государственный технический университет; 443100, Россия, Самара; аспирант кафедры технологии и организации общественного питания; rmvnatasha@rambler.ru

Eremeeva Natalia Borisovna - Samara State Technical University; 443100, Russia, Samara; Technology and Organization of Public Catering Chair, Postgraduate; rmvnatasha@rambler.ru

Макарова Надежда Викторовна - Самарский государственный технический университет; 443100, Россия, Самара; доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии и организации общественного питания; makarovanv1969@yandex.ru

Makarova Nadezhda Viktorovna - Samara State Technical University; 443100, Russia, Samara; Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of Technology and Organization of Public Catering Chair; makarovanv1969@yandex.ru