CC BY
17
Научная статья
УДК 664:664.314.6
DOI 10.52653/PPI.2021.11.11.013
Сравнительный анализ свойств полисахаридов и их влияния на окислительную стабильность пищевых эмульсий
Варужан Амбарцумович Саркисян1, Юлия Владимировна Фролова2, Роман Владимирович Соболев3, Алла Алексеевна Кочеткова4
2 3 4ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, Москва, sarkisyan.varuzhan@gmail.com
Аннотация. Полисахариды являются многофункциональными пищевыми ингредиентами, применяемыми в различных типах пищевых продуктов. Особый интерес вызывает изучение роли полисахаридов в качестве потенциальных про- или анти-оксидантов в составе пищевых эмульсий. Основным недостатком традиционных способов оценки развития окислительных процессов в эмульсиях является необходимость предварительной экстракции жировой фазы, что может сопровождаться искажением реальных значений показателей окисления. В данной работе влияние полисахаридов на окислительную стабильность эмульсий изучено при помощи реактора окислительной устойчивости Oxitest, который позволяет проводить прямое измерение потребления кислорода в процессе окисления липидов, тем самым исключая необходимость экстракции и повышая достоверность полученных данных. Проведен сравнительный анализ 6 различных полисахаридов (альгинат натрия, i-каррагинан, камедь рожкового дерева, пектин амидированный, пектин высокоэтерифицированный, картофельный крахмал) в составе пищевых эмульсий. Методами ИК-Фурье спектроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии охарактеризованы состав и свойства исходных полисахаридов. Изучена вязкость 0,5 %-ных растворов полисахаридов при помощи метода ротационной вискозиметрии. В результате проведенного анализа полисахаридов выявлены и охарактеризованы основные отличия в колебательных спектрах поглощения функциональных групп. Методом дифференциально-сканирующей калориметрии определены энтальпии теплового эффекта отделения влаги и начала термической деградации полисахаридов. Проведен многомерный статистический анализ полученных данных, выявивший основные закономерности между структурой и свойствами полисахаридов в составе эмульсий. Наибольшую окислительную стабильность проявили эмульсии на основе камеди рожкового дерева и амидированного пектина.
Ключевые слова: пищевые эмульсии, окислительная стабильность, полисахариды, альгинат натрия, i-каррагинан, камедь рожкового дерева, пектин амидированный, пектин высокоэтерифицированный, картофельный крахмал
Для цитирования: Саркисян В. А., Фролова Ю. В., Соболев Р. В., Кочеткова А. А. Сравнительный анализ свойств полисахаридов и их влияния на окислительную стабильность пищевых эмульсий // Пищевая промышленность. 2021. № 11. С. 50-53.
Original article
Comparative analysis of polysaccharide properties and their effect on oxidative stability of food emulsions
Varuzhan A. Sarkisyan1, Yuliya V. Frolova2, Roman V. Sobolev3, Alla A. Kochetkova4
i,2 з, 4Federal Research Centre of Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow
Abstract. Polysaccharides are multifunctional food ingredients used in various types of food products. The role of polysaccharides as potential pro- or antioxidants in food emulsions is of particular interest is. The main drawback of traditional methods for assessing the development of oxidative processes in emulsions is the need for preliminary extraction of the fat phase, which may be accompanied by a distortion of the real values of oxidation indices. In this work, the effect of polysaccharides on the oxidative stability of emulsions was studied using the Oxitest oxidative stability reactor, which allows the direct measurement of oxygen consumption during lipid oxidation, thereby eliminating the need for extraction and increasing the reliability of the obtained data. Comparative analysis of 6 different polysaccharides (sodium alginate, i-carrageenan, locust bean gum, amidated pectin, highly esterified pectin, potato starch) in food emulsions was performed. The composition and properties of the initial polysaccharides were characterized by FTIR spectroscopy and differential scanning calorimetry methods. The viscosity of 0.5% solutions of polysaccharides was studied using the rotary viscometry method. The analysis of polysaccharides revealed and characterized the main differences in the vibrational absorption spectra of functional groups. The enthalpies of the thermal effect of moisture separation and the beginning of thermal degradation of polysaccharides were determined by differential scanning calorimetry. A multivariate statistical analysis of the obtained data revealed the main relations between the structure and properties of polysaccharides in emulsions. Emulsions based on locust bean gum and amidized pectin exhibited the highest oxidative stability.
Keywords: food emulsions, oxidative stability, polysaccharides, sodium alginate, i-carrageenan, locust bean gum, amidated pectin, highly esterified pectin, potato starch
For citation: Sarkisyan V. A., Frolova Yu. V., Sobolev R. V., Kochetkova A. A. Comparative analysis of polysaccharide properties and their effect on oxidative stability of food emulsions // Food processing industry. 2021;(11):50-53 (In Russ.).
Благодарность. Работа выполнена в рамках государственного задания № 0529-2019-0055.
Автор, ответственный за переписку: Варужан Амбарцумович Саркисян, sarkisyan.varuzhan@gmail.com Corresponding author: Varuzhan A. Sarkisyan, sarkisyan.varuzhan@gmail.com
© Саркисян В. А., Фролова Ю. В., Соболев Р. В., Кочеткова А. А., 2021
RAW MATERIALS AND ADDiTiVES
Введение. Полисахариды имеют широкое применение в пищевой промышленности, при этом исследование свойств и выявление новых характеристик, расширяющих их область применения, являются особенно востребованными в настоящее время.
Прямые эмульсии (тип «масло в воде») -это термодинамически нестабильные коллоидные системы, состоящие из мелких жировых капель, диспергированных в водной фазе [1]. Эмульсии типа «масло в воде» используются во многих областях промышленности, особенно в пищевой, для обеспечения определенных физико-химических и функциональных свойств пищевых систем. Они являются неотъемлемой частью многих пищевых продуктов, таких как майонезы, кремы, заправки, соусы и десерты [1, 2]. Для стабилизации эмульсий применяют различные полисахариды, проявляющие свойства загустителей и гелеобразователей [3]. Некоторые полисахариды проявляют антиоксидант-ные свойства, механизм реакции которых еще не до конца изучен. Так, например, в исследовании на модельных системах [4] показаны возможные механизмы антиоксидантной активности некоторых полисахаридов, однако их поведение в эмульсионных системах может отличаться от моделей ингибирования различных радикалов.
окислительная стабильность масел в составе эмульсий является важнейшим параметром, который необходимо оценивать при их разработке, так как окисление липидов оказывает негативное влияние на качество пищевых продуктов [5]. Недостатком проведенных работ является стадия оценки степени развития окислительных процессов в эмульсиях, традиционно требующая предварительной экстракции жировой фазы, в связи с чем результат измерения может быть искажен.
Недавно американская ассоциация химиков-жировиков (AOCS) утвердила новый стандарт (Cd 12с-16), описывающий методику проведения оценки окислительной стабильности жиросодержащих продуктов без экстракции жира при помощи реактора окислительной устойчивости Oxitest. Данный метод обладает рядом преимуществ, среди которых быстрота и простота анализа, высокая воспроизводимость и отсутствие необходимости в использовании химических реактивов [6]. В настоящее время количество исследований с использованием данной методики ограничено.
Цель работы - проведение сравнительного анализа свойств различных полисахаридов и установление взаимосвязи окислительной стабильности прямых эмульсий со структурой полисахаридов.
Экспериментальная часть. Для проведения сравнительного анализа были выбраны пищевые полисахариды: пектин высокоэтерифицированный (Пектин ВЭ), пектин амидированный (Пектин А), i-каррагинан, камедь рожкового дерева (КРД), крахмал картофельный (Крахмал), альгинат натрия.
на первом этапе исследовали свойства выбранных полисахаридов методами ИК-Фурье спектроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии.
ИК-Фурье спектроскопия была использована для анализа полос поглощения, характерных для молекулярных колебаний отдельных групп химических соединений в исследуемых образцах полисахаридов. Образцы анализировали с помощью ИК-спектрометра с преобразованием Фурье (Tensor 27 (Bruker Optik, GmbH) с приставкой MiRacleATR, оснащенной кристаллом германия (метод неполного внутреннего отражения, НПВО). Анализ данных про-
водили при помощи программного обеспечения Opus 6,0. Измерение ИК-спектра проводили при комнатной температуре в средней инфракрасной области между 4000 и 650 (см-1). Каждый образец был проанализирован в 4 повторностях. Скорость сканирования, разрешение и количество сканирований для каждого спектра равнялись 1 см-1, 4 см-1 и 64 соответственно. Полученные спектры обрабатывали в автоматическом режиме, включая следующие этапы: коррекция вклада паров воды и углекислого газа из воздуха, приведение к базовой линии и нормализация. На рис. 1 представлены ИК-спектры изучаемых полисахаридов.
Как видно из рисунка, все углеводы ожидаемо характеризуются высоким содержанием гидроксильных групп. Значительно варьируется размер полос поглощения, характерных для колебаний ме-тильных и карбонильных групп. Отличием для ^каррагина является наличие выраженной полосы поглощения сульфатных групп. При этом согласно литературным данным, полисахариды, имеющие сульфатные функциональные группы, могут проявлять антиоксидантные свойства [7]. Площади соответствующих пиков были рассчитаны для целей дальнейшего статистического анализа.
Термодинамический анализ исследуемых образцов проводили с помощью дифференциально-сканирующей калориметрии. Измерение проводили на дифференциально-сканирующем калориметре DSC 3, (МеИ:1ег-То^о) при следующих параметрах: 8-10 мг полисахарида помещали в алюминиевый тигель объемом 40 мкл и закупоривали, затем нагревали от 25 до 300 °С со скоростью 20 °С/мин. Полученные данные обрабатывали в программе SТARe (МеИ:1ег-То^о, Швейцария). Термограммы изученных образцов представлены на рис. 2.
4000
3500
3000
Волновые числа, см-
1500
1000
Рис. 1. ИК-Фурье спектроскопия исходных полисахаридов. Стрелками указаны колебания функциональных групп: 1 - гидроксильных групп (О-Н), 2 - метильных групп (С-Н), 3 - карбонильных групп (С=0), 4 - сульфатных групп (БО3)
Ехо
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 °С Рис. 2. Термограммы изучаемых полисахаридов
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) - это термоаналитический метод, в котором определяется разница в количестве тепла, необходимого для нагрева исследуемого образца относительно эталонного [8]. Методом ДСК анализируют тепловые эффекты стеклования, плавления, кристаллизации, разрушения внутри- и межмолекулярных связей. Как видно из рис. 2, во всех полисахаридах обнаружен эндотермический эффект в диапазоне от 109 до 134 °C, соответствующий разрушению межмолекулярных связей, в частности отделению молекул воды от полисахарида [8]. Температура пика данного теплового эффекта у альгината натрия отмечена при 254,91 °C, i-каррагинана - при 243,77 °C и у пектинов высокоэтерифицированного и ами-дированного - при 190,79 °C и 245,59 °C соответственно. Наименьшие значения отмечены для образцов крахмала и камеди рожкового дерева, у которых данная температура составляет 120,34 °C и 109,52 °C соответственно. Начало данного эффекта принято считать температурой стеклования полисахарида [9].
На следующем этапе были получены растворы изучаемых полисахаридов и проведены исследования их вязкости. Растворы, содержащие 0,5 % полисахаридов, вырабатывали по следующей процедуре: углеводы растворяли в фосфатном буфере (0,1 М, pH = 7,0) на магнитной мешалке в течение 15 мин, поднимая температуру от 50 °С до 90 °С. По достижении заданной температуры растворы охлаждали. Вязкость растворов определяли с помощью ротационного вискозиметра Fungilab Expert (Испания),
оснащенного шпинделем R2 при частоте вращения 100 об/мин при температуре от 65 °С до 40 °С.
Полученные результаты представлены на рис. 3, согласно которым раствор, содержащий камедь рожкового дерева, обладает наибольшей вязкостью относительно остальных образцов. Вязкостью менее 40 мПа^с обладают 4 образца, среди которых крахмал, каррагинан, пектин амидированный и пектин высоко-этерифицированный. Низкие показатели вязкости некоторых растворов могут быть обусловлены неоптимальным pH буфера для структурообразования, который был задан равным 7 для исключения влияния кислотности полисахаридов на степень гидролиза масла и окислительные процессы при дальнейшем получении эмульсии.
На третьем этапе работ с использованием данных растворов были получены эмульсии и исследована их окислительная стабильность методом ускоренного окисления на приборе Oxitest (Velp scientifica, italy). Эмульсии вырабатывали по следующей процедуре: 1) на магнитной мешалке при температуре 60 °С в течение 3 мин растворяли 0,2 % фракционированных моноглицеридов в подсолнечном масле; 2) полисахариды растворяли в воде аналогично процедуре, описанной выше; 3) жировую фазу (20 % от объема конечной эмульсии) медленно вносили в водную фазу при диспергировании на верхнеприводном гомогенизаторе Heidolph Silent Crusher M (Heidolph, Германия) при 12 тыс. об/мин в течение 5 мин. Соотношение жировой и водной фаз, а также концентрация полисахаридов выбраны на
основании анализа литературных данных и предварительных исследований.
Метод ускоренного окисления был использован для изучения окислительной стабильности по периоду индукции в условиях избытка кислорода. Принцип определения заключается в изотермическом окислении исследуемого образца кислородом при высоком давлении. Методика проведения соответствовала работе [10] с незначительными изменениями (в нашей работе нагрев проводили до 80 °C). Измерения проводили в двух повторностях параллельно на двух приборах. результаты рассчитывали как среднее значение. Пример полученных изотерм окисления и периода индукции исследуемых образцов представлен на рис. 4.
На основании данных, представленных на рис. 4, видно, что наибольшим периодом индукции обладают образцы эмульсий, структурированные камедью рожкового дерева - 66,8 ч, и пектином амидированным - 42,6 ч. Наиболее коротким периодом индукции обладает прямая эмульсия на основе альгината натрия - 22,4 ч. Схожие периоды индукции имеют образцы i-каррагинана, пектина высокоэтерифицированного и крахмала: 27,5; 28,5 и 32,1 ч соответственно.
результаты проведенных исследований были использованы для выявления возможных факторов, обусловливающих окислительную стабильность эмульсий. С этой целью был проведен многомерный статистический анализ методом главных компонент при помощи программы Origin Pro 2018 (рис. 5).
Как видно из рис. 5, первые два измерения в совокупности описывают 78,7 %
100
80
rà 60
40
20
40
45
50 55
Температура, °С
Крахмал Альгинат натрия
-т—Пектин А
60
Пектин ВЭ
i-каррагинан
65
КРД
Рис. 3. Результаты определения вязкости 0,5%-ных растворов полисахаридов
3,0 00:00
24:00
48:00
Время, чч:мм
72:00
96:00
Пектин ВЭ * Пектин А — — Альгинат натрия —•—i-каррагинан —а—Крахмал —»—КРД
Рис. 4. Изотермы окисления и периода индукции образцов эмульсий в реакторе окислительной стабильности Oxitest при 80 °C
RAW MATERiALS AND ADDiTiVES
-0,5 0,0 0,5 1,0
1 1 . 1 . •An ьг и кат натрия со L/" Kss&uan-с"н Вязкость
•Пеети •Пектин A 1 ГВ^ ' о-н \пи *КРД »
PC1 (48,5%) '
Рис. 5. Многомерный статистический анализ полученных данных с использованием метода главных компонент
всей наблюдаемой вариации между образцами, а значит, могут быть достаточными для анализа. Результаты анализа свидетельствуют о том, что период индукции имеет тесную положительную корреляцию с содержанием гидроксиль-ных групп в полисахариде и отрицательную - со значением температуры пика эндотермического эффекта (Тп). При этом в условиях данного эксперимента содержание сульфатных, карбонильных и метильных групп, энтальпия теплового эффекта, а также вязкость водной фазы имеют меньшую взаимосвязь с периодом индукции эмульсий.
Заключение. Прямая оценка потребления эмульсиями кислорода позволила установить реальный вклад полисахаридов в развитие окислительных процессов в эмульсиях. Наибольшую антиоксидантную активность проявили камедь рожкового дерева (ПИ = 66,8 ч) и пектин амидированный (ПИ = 42,6 ч). результаты многомерного статистического анализа экспериментальных данных свидетельствуют о том, что период индукции в большей степени связан с содержанием гидроксильных групп (положительная
корреляция), а также с температурой термической деструкции полисахарида (отрицательная корреляция). Полученные данные могут быть использованы при разработке новых эмульсионных пищевых продуктов, содержащих полисахариды.
список источников
1. McClements D. J. Emulsion stability // Food emulsions. CRC Press, 2015. P. 314407.
2. Dickinson E. Colloids in food:
ingredients, structure, and stability // Annual review of food science and technology. 2015. Vol. 6. P. 211-233.
3. Kouhi M., Prabhakaran M. P., Ramakrish-na S. Edible polymers: An insight into its application in food, biomedicine and cosmetics // Trends in Food Science & Technology. 2020. Vol. 103. P. 248-263.
4. Wang J., et al. Reviews on mechanisms of in vitro antioxidant activity of polysaccharides // Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2016. Vol. 2016.
5. Karadag A. The effects of surfactants on the oxidation of sunflower oil in emulsions // International Journal of Food Technology and Nutrition. 2019. Vol. 2. No. 3-4. P. 20-24.
6. Tinello F., et al. Comparison of OXITEST and RANCIMAT methods to evaluate the oxidative stability in frying oils // European Food Research and Technology. 2018. Vol. 244. No. 4. P. 747-755.
7. Fimbres-Olivarria D., et al. Chemical characterization and antioxidant activity of sulfated polysaccharides from Navicula sp // Food Hydrocolloids. 2018. Vol. 75. P. 229-236.
8. Wai Chun C. N., et al. Elucidation of Mechanical, Physical, Chemical and Thermal
Properties of Microbial Composite Films by Integrating Sodium Alginate with Bacillus subtilis sp // Polymers. 2021. Vol. 13. No. 13. P. 2103.
9. Roos Y. H., Drusch S. Phase transitions in foods. Academic Press, 2015.
10. Frolova Y. V., et al. Approaches to study the oxidative stability of oleogels // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2021. Vol. 677. No. 3. P. 032045.
REFERENCES
1. McClements D. J. Emulsion stability. Food emulsions. CRC Press, 2015. P. 314-407.
2. Dickinson E. Colloids in food: ingredients, structure, and stability. Annual review of food science and technology. 2015;6:211-233.
3. Kouhi M., Prabhakaran M. P., Ramakrishna S. Edible polymers: An insight into its application in food, biomedicine and cosmetics. Trends in Food Science & Technology. 2020;103:248-263.
4. Wang J., et al. Reviews on mechanisms of in vitro antioxidant activity of polysaccharides. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2016.
5. Karadag A. The effects of surfactants on the oxidation of sunflower oil in emulsions. International Journal of Food Technology and Nutrition. 2019;2(3-4):20-24.
6. Tinello F., et al. Comparison of OXITEST and RANCIMAT methods to evaluate the oxidative stability in frying oils. European Food Research and Technology. 2018;244(4):747-755.
7. Fimbres-Olivarria D., et al. Chemical characterization and antioxidant activity of sulfated polysaccharides from Navicula sp. Food Hydrocolloids. 2018;75:229-236.
8. Wai Chun C. N., et al. Elucidation of Mechanical, Physical, Chemical and Thermal Properties of Microbial Composite Films by Integrating Sodium Alginate with Bacillus subtilis sp. Polymers. 2021;13(13): 2103.
9. Roos Y. H., Drusch S. Phase transitions in foods. Academic Press, 2015.
10. Frolova Y. V., et al. Approaches to study the oxidative stability of oleogels. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2021;677(3): 032045.
Информация об авторах
Саркисян Варужан Амбарцумович, канд. биол. наук,
Фролова Юлия Владимировна, канд. техн. наук,
Соболев Роман Владимирович, аспирант,
Кочеткова Алла Алексеевна, д-р техн. наук, профессор
ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, 109240, Москва,
Устьинский пр-д, д. 2/14, sarkisyan.varuzhan@gmai1.com,
himic14@mai1.ru, sobo1evrv@bk.ru, kochetkova@ion.ru
Information about the authors
Varuzhan A. Sarkisyan Candidate of Biological Sciences, Yuliya V. Frolova Candidate of Technical Sciences, Roman V. Sobolev, graduate student,
Alla A. Kochetkova, Doctor of Technical Sciences, Professor Federal Research Centre of Nutrition, Biotechnology and Food Safety, 2/14, Usfinskiy lane, Moscow, 109240, sarkisyan.varuzhan@gmail.com, himic14@mail.ru, sobolevrv@bk.ru, kochetkova@ion.ru
Статья поступила в редакцию 08.09.2021; принята к публикации 28.10.2021. The article was submitted 08.09.2021; accepted for publication 28.10.2021.
