CC BY
23
УДК 663.81 DOI: 10.36718/1819-4036-2021-4-172-178
Елена Николаевна Соколова
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, ведущий научный сотрудник отдела биотехнологии ферментов, дрожжей, органических кислот и биологически активных добавок, кандидат биологических наук, Москва, Россия E-mail: [email protected] Елена Ивановна Курбатова
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, ведущий научный сотрудник отдела биотехнологии ферментов, дрожжей, органических кислот и биологически активных добавок, кандидат технических наук, Москва, Россия E-mail:[email protected] Татьяна Владимировна Юраскина
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, младший научный сотрудник отдела биотехнологии ферментов, дрожжей, органических кислот и биологически активных добавок, аспирант, Москва, Россия E-mail:[email protected] Елена Михайловна Серба
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, заместитель директора по научной работе, доктор биологических наук, доцент, член-корреспондент РАН, Москва, Россия E-mail: [email protected]
НАПРАВЛЕННЫЙ КАТАЛИЗ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ВЫХОДА БИОЛОГИЧЕСКИ ЦЕННЫХ
ВЕЩЕСТВ ИЗ ПЛОДОВО-ЯГОДНОГО СЫРЬЯ
Рациональный подход к способу воздействия на растительную ткань является крайне важным аспектом для извлечения биологически активных компонентов и сохранения их природной ценности. Цель работы - разработка биотехнологического способа получения полуфабрикатов с повышенным содержанием пищевых и биологически активных веществ как основы для получения напитков сбалансированного состава. Количественный и качественный состав биологически активных компонентов в полученных ферментолизатах и концентратах исследовали различными спектрофотометрическими, колориметрическими и титриметрическими методами анализа. В ходе исследований выявлена возможность повышения выхода биологически активных компонентов в экстракты в результате направленного ферментативного гидролиза полимеров клеточных стенок плодово-ягодного сырья. Установлено, что мультиэнзимные композиции, состоящие из пектиназы, протеазы, ß-глюканазы для яблочного сырья и пектиназы и ß-глюканазы для обработки сырья из черной смородины, позволяют увеличить выход фенольных веществ, витамина С и редуцирующих углеводов. Так, в ферментолизате черной смородины, в отличие от сока, концентрация фенольных веществ была увеличена в 7,5 раза, а витамина С - в 2 раза. Экспериментально показана возможность получения концентрированных форм ингредиентов с применением современных методов мембранных технологий. Подобрана оптимальная степень концентрирования ферментолизатов с сохранением органолептических характеристик и содержанием биологически активных веществ (БАВ). Для концентрата черной смородины концентрация растворимых сухих веществ (РСВ) составила 64,8 %, для яблок - 58,2 %. Наработана экспериментальная партия концентратов из плодово-ягодного сырья и изучен их биохимический состав. Полученные ингредиенты будут использованы в качестве основы для создания натуральных напитков сбалансированного состава.
© Соколова Е.Н., Курбатова Е.И., Юраскина Т.В., Серба Е.М., 2021 Вестник КрасГАУ. 2021. № 4. С. 172-178.
Технология продовольственнъхпродуктов
Ключевые слова: растительное сырье, ферменты, биокатализ, напитки из натурального сырья, концентрирование, фильтр-картон, мембраны, биологически ценные компоненты, ингредиенты.
Elena N. Sokolova
Cand. of Biol. Sci., Leading Researcher, Department of Biotechnology of Enzymes, Yeast, Organic Acids and Dietary Supplements, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia E-mail: elenaniksokolova @ inbox .ru Elena I. Kurbatova
Cand. of Biol. Sci., Leading Researcher, Department of Biotechnology of Enzymes, Yeast, Organic Acids and Dietary Supplements, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia E-mail: elena_kurbatova @ list .ru Tatyana V. Yuraskina
Postgraduate Student, Junior Researcher, Department of Biotechnology of Enzymes, Yeast, Organic Acids and Dietary Supplements, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia E-mail: [email protected] Elena M. Serba
Dr. of Biol. Sci., Assoc. Prof., Deputy Director for Research, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
TARGETED CATALYSIS AS A WAY TO INCREASE THE YIELD OF BIOLOGICAL VALUABLE SUBSTANCES FROM FRUIT AND BERRY RAW MATERIALS
The rational method of plant tissue treatment is a particularly important aspect to extract and preserve natural value of biologically active components. The aim of this work was development of biotechnology of semi-finished products with an increased content of food and biologically active substances as beverages base with a balanced composition production. The quantitative and qualitative compound of biologically active components in the obtained fermentolysates and concentrates by various spectrophotometry colorimetric and titrimetric analysis methods was investigated. The possibility of increasing of biologically active components yield in extracts as a result of targeted enzymatic hydrolysis of cell walls polymers of fruit and berry raw materials was identified. It was established that multienzyme compositions consisting of pectinase, protease, в-glucanase for apple raw materials, and pectinase and в-glucanase for blackcurrant raw materials treatment provide increasing the yield of phenolic substances, vitamin C and reducing carbohydrates. So, the concentration of phenolic substances in the blackcurrant fermentolysate was increased 7. 5 times, and vitamin C - 2 times, in contradistinction to juice. The possibility of receiving concentrated forms of ingredients by using modern membrane technologies was experimentally shown. The optimal degree of fermentolysates concentration to maintain organoleptic characteristics and the content of biologically active substances was selected. Soluble solids content of blackcurrant concentrate was 64.8%, apple concentrate - 58.2%. An experimental batch was produced and biochemical composition of concentrates from fruit and berry raw materials was studied. Produced ingredients will be used as a base for creating natural beverages with balanced composition.
Keywords: plant raw materials, enzymes, biocatalysis, beverages made from natural raw materials, concentration, filter sheets, membranes, biologically valuable components, ingredients.
Введение. В последние десятилетия развития предприятий агропромышленного комплекса отмечается расширение ассортимента продуктов питания и БАД на основе использования
возобновляемых источников сырья, а также вторичных сырьевых источников. При этом особое внимание уделяется вопросам повышения эффективности использования сырьевых источ-
ников растительного происхождения с применением различных способов предобработки (УЗ, СВЧ, низкотемпературная обработка, термошок и т. д.) [1]. Ценность плодов и ягод определяется широким спектром находящихся в них натуральных пищевых ингредиентов (полифенолов, витаминов, каротинов, минеральных, пектиновых веществ), способных поддержать на должном уровне координированную работу физиологических и регуляторных систем организма [2]. Особо важное значение имеют вещества фенольной природы, способные проявлять противовоспалительные, антибактериальные свойства, высокую антиоксидантную способность, существенно снижать проницаемость клеток капилляров и т.д. [3-5]. Рациональный подход к подбору способа воздействия на растительную ткань является крайне важным аспектом для извлечения биологически активных компонентов и сохранения их природной ценности. Особенности тканевого строения растительного сырья, а также локализация биологически ценных веществ в структуре сырья требуют тщательного исследования для извлечения их в растворимую форму.
Цель исследования. Разработка биотехнологического способа получения полуфабрикатов с повышенным содержанием пищевых и биологически активных веществ как основы для получения напитков сбалансированного состава.
Задачи исследования: исследовать биохимический состав ферментолизатов яблочного и черносмородинового сырья; зависимость биохимического состава ферментолизатов от степени концентрирования; оценить влияние степени концентрирования на выход биологически активных веществ.
Материалы и методы исследования. Количественный и качественный состав биологически активных компонентов в полученных ферментолизатах растительного сырья изучали следующими методами: редуцирующие вещества (РВ) - методом Шомоди-Нельсона [6]; содержание витамина С - титриметрическим методом согласно ГОСТ 24556-89 [7]; содержание общих фенольных веществ - методом Фолина-Чокаль-теу [8]; растворимых сухих веществ - рефрактометрическим методом [9]; содержание аминного азота - титриметрическим методом, описанным в ОФС.1.2.3.0022.15 [10].
Объектами исследований являлись фермен-толизаты яблочного (источники витаминов С, Вг В2, Р, Е, бета-каротина, микро-, макроэлементов, пектиновых веществ, моно-, ди-, олигосахари-дов, органических кислот, флавоноидов) и черносмородинового сырья (источник витаминов С, В, Р, провитамина А, органических кислот, моно-, ди-, олигосахаридов, гликозидов, флавоноидов, пектиновых, дубильных, антоциановых веществ, флавонолов и азотистых веществ, полиненасыщенных жирных кислот в семенах).
Статистическую обработку экспериментальных данных, полученных в результате трехкратной повторности, проводили с применением стандартной программы MS Excel.
Результаты исследования и их обсуждение. На предыдущих этапах исследования нами было изучено влияние ферментативной обработки на степень деструкции полимеров плодово-ягодного сырья, выявлены наиболее эффективные мультиэнзимные композиции для биокатализа клеточных полимеров, состоящие из пектиназы, протеазы, в-глюканазы для яблочного сырья, а также пектиназы и в-глю-каназы для обработки сырья из черной смородины. В качестве ферментных препаратов использовались Пектофоетидин Г20Х - источник пектолитических ферментов, Целловиридин Г20Х - источник гемицеллюлолитических ферментов и Амилопротооризин Г20Х - источник протеолитических ферментов. Все ферментные препараты отечественного производства, получены на опытно-промышленной установке ООО «Биопрогресс» г. Щелково. Исследовано влияние технологических параметров ферментолиза плодово-ягодного сырья (температура, длительность) на выход биологически ценных компонентов, экспериментально выявлены оптимальные условия: температура процесса 48-52 °С и длительность 1,5-2,5 часа, обеспечивающие повышение выхода жидкой фракции гидролизата с сохранением нативного состояния биологически ценных компонентов.
С использованием подобранных ферментных препаратов и разработанных условий их каталитического воздействия на плодово-ягодное сырье наработана опытная партия ферментолизатов с повышенным содержанием БАВ, изучен их биохимический состав (табл. 1).
Технология продовольственныхпродуктов
Таблица 1
Биохимический состав ферментолизатов плодово-ягодного сырья
Вид сырья СВ, % рН Фенольные соединения, мг/100см3 РВ, мг/100см3 Витамин С, мг/дм3
Черная смородина 14,2+0,7 2,8+0,1 723,0+35,9 221,5+11,1 320,5+16,0
Яблоки 11,8+0,6 3,8+0,2 96,0+4,8 310,1+15,5 157,2+7,9
Полученные ферментолизаты различались в основном по содержанию фенольных веществ и витамина С. Ферментолизат черной смородины содержал в 7,5 раза больше фенольных веществ и в 2,0 раза витамина С (см. табл. 1).
Необходимым аспектом в технологическом процессе получения натуральных изделий на основе плодово-ягодного сырья является обеспечение сохранности пищевой и биологической ценности природных компонентов, а также стабильности коллоидного состояния используемых полуфабрикатов. Одним из наиболее эффективных способов, используемых для достижения этой цели, является концентрирование с применением мембранных процессов [11, 12].
В настоящих исследованиях с целью получения концентрированных форм обога-
Изменение показателей полученных концентратов из ферментолизата черной смородины в отношении биологически активных компонентов от степени концентрирования показало линейную зависимость сохранения БАВ в ферментоли-зате. В качестве оптимальных условий выбрана степень концентрирования в 10,25 раза (до концентрации РСВ 64,8 %). Концентрирование до
щенных ферментолизатов была изучена зависимость биохимического состава конечной формы полуфабриката от разрешающей способности фильтрующих материалов, а также режимов вакуум-выпаривания. В работе исследовали фильтрующие материалы отечественного производства: мембраны марки УПМ-10, УПМ-20,УПМ-100, УПМ-200, фильтр-картон марки DKF-3. В качестве критериев оценки эффективности процесса концентрирования рассматривали зависимость содержания биологически ценных компонентов в ультраконцентратах фер-ментолизатов плодово-ягодного сырья от конечной концентрации в них растворимых сухих веществ (РСВ) (рис. 1).
более высоких значений РСВ приводит к снижению эффективности работы мембраны, а также ухудшает реологические свойства получаемого полуфабриката. В связи с тем, что значение рН продукта отражается на его органолептической оценке, экспериментально подтверждено, что использование выбранных режимов фильтрации существенно не влияет на изменение вкусовых
8000
Концентрация РСВ, %
Рис. 1. Зависимость биохимического состава концентрата из черной смородины от степени концентрирования ферментолизата
показателей продукта: рН ультраконцентрата практически не изменялось.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о рациональности концентрирования яблочного ферментолизата до концентрации РСВ = 58,2 %, при этом рН ультраконцентрата находилось в пределах допустимых значений 3,0-3,5 усл. ед., что соответствует кисло-сладкому вкусу и не будет влиять на органолептические показатели получаемых продуктов.
Выводы. Исследован биохимический состав ферментолизатов из яблок и черной смородины. С применением современных мембранных процессов получены концентрированные формы полуфабрикатов для напитков. Напитки, получаемые на основе концентрированных форм ингреди-
Аналогичные исследования были проведены с ферментолизатом, полученным на основе яблочного сырья (рис. 2).
Наработана экспериментальная партия концентрированной формы ферментолизатов плодово-ягодного сырья в качестве основы для создания образцов напитков сбалансированного состава, а также в качестве корректирующих компонентов биологической полноценности получаемых продуктов и изучен их биохимический состав (табл. 2).
ентов из плодово-ягодного сырья, будут перспективны для употребления всех групп населения, так как в них идеально сочетается вкусо-аромати-ческая составляющая и широкий спектр необходимых биологически активных веществ.
Рис. 2. Влияние степени концентрирования ферментолизата яблочного сырья
на выход БАВ из яблок
Таблица 2
Биохимический состав полученных концентрированных форм ингредиентов
Вид сырья СВ, % рН Аминный азот, мг% Фенольные соединения, мг/100 см3 РВ, мг/100 смз Витамин С, мг/дмз
Черная смородина 64,8+3,2 2,6+0,1 7420,0+371,0 7035,2+351,8 2265,7+113,3 283,2+14,2
Яблоки 58,5+2,9 3,2+0,2 80,5+4,0 958,8+47,9 2998,8+149,9 482,2+24,1
Технология продовольственныхпродуктов Литература
1. Домарецкий В.А. Технология экстрактов, концентратов и напитков из растительного сырья: учеб. пособие. М.: Форум, 2011. 448 с. (Высшее образование).
2. Тутельян В.А. Пищевые ингредиенты в создании современных продуктов питания / под ред. В.А. Тутельяна, А.П. Нечаева. М.: ДеЛи плюс, 2014. 520 с.
3. Быстрова Е.А. Исследование компонентного состава фенольных соединений и антиокси-дантной активности брусничного сока // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. № 3 (22). С. 19-26.
4. Корулькин Д.Ю., Абилов Ж.А., Музычки-на Р.А. и др. Природные флавоноиды / Рос. акад. наук, Сиб. отд., Новосиб. ин-т органической химии. Новосибирск: Тео, 2007. 232 с.
5. Тынянина И.И. Разделение, концентрирование и анализ антоцианов и бетацианинов в экстрактах растительного сырья с применением оптических и хроматографических методов: дис. ... канд. хим. наук: 02.00.02. Белгород, 2015. 147 с.
6. 0ФС.1.2.3.0022.15. Определение аминного азота методами формольного и йодометри-ческого титрования. М., 2015.
7. Синицын А.П., Черноглазое В.М., Гусаков А.В. Методы исследования и свойства целлюлолитических ферментов. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 25. С. 30-37.
8. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. М.: Советская школа, 2005. 608 с.
9. ГОСТ ISO 2173-2013. Продукты переработки фруктов и овощей. Рефрактометрический метод определения растворимых сухих веществ. Введ. 01.07.2015. М.: Стандартин-форм, 2014. 14 с.
10. Латыпова Г.М., Романова З.Р., Бубенчико-ва В.Н. и др. Исследование качественного и количественного состава флавоноидных соединений густого экстракта первоцвета лекарственного // Химия растительного сырья. 2009. № 4. С. 113-116.
11. Кудряшов В.Л., Рабинович А.З., Павлова Е.С. и др. Разработка способа производства вы-сокоочищенных яблочных соков на основе мембранных и биотехнологических процес-
сов // Теоретические и практические аспекты развития спиртовой, ликероводочной, ферментной, дрожжевой и уксусной отраслей промышленности. М.: ВНИИПБТ, 2011. С. 263-270.
12. Кудряшов В.Л., Погоржельская Н.С., Лемтю-гин А.И. и др. Использование экстракта шиповника в безалкогольных и алкогольных напитках и его производство с применением баромембранных процессов // Пиво и напитки. 2018. № 2. С. 70-75.
Literatura
1. Domareckij V.A. Tehnologiya "ekstraktov, kon-centratov i napitkov iz rastitel'nogo syr'ya: ucheb. posobie. M.: Forum, 2011. 448 s. (Vyss-hee obrazovanie).
2. Tutel'yan V.A. Pischevye ingredienty v sozdanii sovremennyh produktov pitaniya / pod red. V.A. Tutel'yana, A.P. Nechaeva. M.: DeLi plyus, 2014. 520 s.
3. Bystrova E.A. Issledovanie komponentnogo sostava fenol'nyh soedinenij i antioksidantnoj aktivnosti brusnichnogo soka // Izvestiya vuzov. Prikladnaya himiya i biotehnologiya. 2017. T. 7. № 3 (22). S. 19-26.
4. Korulkin D.Yu., Abilov Zh.A., Muzychkina R.A. i dr. Prirodnye flavonoidy / Ros. akad. nauk, Sib. otd., Novosib. in-t organicheskoj himii. Novosibirsk: Teo, 2007. 232 s.
5. Tynyanina I.I. Razdelenie, koncentrirovanie i analiz antocianov i betacianinov v 'ekstraktah rastitel'nogo syr'ya s primeneniem opticheskih i hromatograficheskih metodov: dis. ... kand. him. nauk: 02.00.02. Belgorod, 2015. 147 s.
6. 0FS.1.2.3.0022.15. Opredelenie aminnogo azota metodami formol'nogo i jodometrichesko-go titrovaniya. M., 2015.
7. Sinicyn A.P., Chernoglazov V.M., Gusakov A.V. Metody issledovaniya i svojstva cellyuloliticheskih fermentov. M.: VINITI, 1990. T. 25. S. 30-37.
8. Volkov A.I., Zharskij I.M. Bol'shoj himicheskij spravochnik. M.: Sovetskaya shkola, 2005. 608 s.
9. GOST ISO 2173-2013. Produkty pererabotki fruktov i ovoschej. Refraktometricheskij metod opredeleniya rastvorimyh suhih veschestv. Vved. 01.07.2015. M.: Standartinform, 2014. 14 s.
10. Latypova G.M., Romanova Z.R., Bubenchiko-va V.N. i dr. Issledovanie kachestvennogo i koli-
chestvennogo sostava flavonoidnyh soedinenij gustogo "ekstrakta pervocveta lekarstvennogo // Himiya rastitel'nogo syr'ya. 2009. № 4. S. 113-116.
11. Kudryashov V.L., Rabinovich A.Z., Pavlova E.S. i dr. Razrabotka sposoba proizvod-stva vysokoochischennyh yablochnyh sokov na osnove membrannyh i biotehnologicheskih pro-cessov // Teoreticheskie i prakticheskie aspekty
razvitiya spirtovoj, likerovodochnoj, fermentnoj, drozhzhevoj i uksusnoj otraslej promyshlennos-ti. M.: VNIIPBT, 2011. S. 263-270.
12. Kudryashov V.L., Pogorzhel'skaya N.S., Lemt-yugin A.I. i dr. Ispol'zovanie 'ekstrakta shipovni-ka v bezalkogol'nyh i alkogol'nyh napitkah i ego proizvodstvo s primeneniem baromembrannyh processov // Pivo i napitki. 2018. № 2. S. 70-75.
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 2019-2021 годы (тема № 0529-2019-0066).
