CC BY
4
УДК 664
DOI 10.24412/ 2311-6447-2022-4-142-146
Возможности и условия сорбдиоииой иммобилизации микроэлементов, для последующего применения в пищевой промышленности
Possibilities and conditions of sorption immobilization of trace elements, for subsequent use in the food industry
Доцент E.R, Белокурова, аспирант M.A. Саргсян Воронежский государственный университет инженерных технологий, кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, тел. 8(919)245-93-41, zvezdamalto mail.ru
Associate Professor E,V. Belokurova, Graduate Student M.A. Sargsyan Voronezh State University of Engineering Technologies, chair of Service and Restaurant Business, tel. 8 (919) 245-93-41, zvezdamat« mail.ru
Аннотация. В современной пищевой промышленности особое внимание уделяется повышению пищевой и биологической ценности продукта. Проблема нехватки и родов олъ ств ия уступила место em «бедному^ нутриеншому составу. Регулярный дисбаланс поступления в организм витаминов и микроэлементов может принести к развитию в организме нарушения, называемого авитаминоз или микроэлементов. Одним из способов обогащения и сохранения необходимого компонента является иммоби-лизания его коллоидной структуры на поверхности биополимерного носителя. Важным критерием выбора носителя является его низкая токсичность, растворимость в организме и способность обеспечивать устойчивую фиксацию дисперсной фазы. Выбор метода иммобилизации важен, для увеличения закрепления вносимого компонента и уменьшению препятствования его усвоения в организме.
Abstract. In the modern food industry, special attention is paid to increasing the nutritional and biological value of the product. The problem of food shortage has given way to its low nutrient composition. Regular imbalance ill the intake of vitamins and trace elements in the body can lead to the developm ent of a disorder m the body called vitamill deficiency or micronutrient deficiency. One of the ways to enrich and preserve the necessary component is the immobilization of its colloidal structure on the surface of the biopolymer carrier. Ail important criterion for choosing a carrier is its low toxicity, solubility in the body and the ability to provide stable fixation of the dispersed phase. The choice of the immobilization method is important to increase the fixation of the introduced component and reduce the obstruction of its assimilation in the body.
Ключевые слова: иммобилизация, микроэлементы, адсорбшет, хемосорбция, хитозан, агар, пектин
Keywords: immobilization, trace elements, adsorption, chemosorption, chitosan, agar, pectin
Одним из важнейших факторов, влияющих на состояние здоровья современного человека, является рациональное питание. Длительный дисбаланс потребляемых компонентов пищи приводит к развитию осложнений таких, как авитаминозы или микроэлементозы. Нарушение может быть вызвано как влиянием антропогенного воздействия на окружающую среду, так и по причине естественного низкого содержания необходимых компонентов в почве и воде. Получение в достаточном количестве всех необходимых компонентов может быть затруднено в связи с региональными особенностями места производства продуктов питания. Так, только в результате выявленного у человека острого дисбаланса эссенциалъных элементов необходима коррекция рациона питания. В связи с этим особый интерес в современной пищевой промышленности представляет научно-практическое направление,
© Белокурова Е.В., Саргсян М.А., 2022
связанное с разработкой и оптимизацией редеитур, подходящих для использования в рамках корректирующей диеты [1].
К способам, подходящим обогащения продукта микроэлементами, можно отнести иммобилизацию необходимого компонента на поверхности функционального носителя. Иммобилизация - метод ограничения подвижности молекул, производимый при помощи закрепления их на поверхности носителя, без потери эффективности самой молекулы. В пищевой промышленности активно применимы различные методы иммобилизации, к примеру, иммобилизация клеток и ферментов на поверхности полисахаридов. Среди наиболее подходящих для закрепления микроэлементов можно выделить адсорбционные и хемосорбционные методы [2].
Основные механизмы связывания в сорбционной иммобилизации сконцентрированы на поверхности или в массе носителя. Удерживающая поверхность, в случае иммобилизации на носителе, обтекается внешней жидкой или газообразной средой. К недостаткам адсорбционного метода следует отнести невысокую прочность связывания вносимой фазы с носителем. При изменении условий иммобилизации может произойти десорбция компонента, его потеря и загрязнение продуктов. Иммобилизация в массе (объеме) носителя происходит за счет физических факторов, т.е. механически, так по причине фиксации с образованием ковалентных связей между компонентами носителя и вносимой фазы. В данном случае свойства носителя, такие как, пористость, заряд, гидрофильность, в значительной степени могут сказываться на функционировании иммобилизованного компонента и на уровне реализации потенциальных возможностей.
При ковалентном связывании дисперсной фазы с поверхностью носителя закрепление происходит с помощью "сшивающих" агентов. В отличие от физических вариантов, эти методы иммобилизации обеспечивают прочную и необратимую связь вносимого компонента с носителем и сопровождаются стабилизацией молекулы элемента. Однако расположение дисперсной фазы относительно носителя на расстоянии одной ковалентной связи создаёт трудности в осуществлении каталитического процесса. В противовес к высокой сшиваемости с носителем, при ковалент-ной иммобилизации возможно затруднение растворения носителя в организме. Подобное может привести к низкой усвояемости вносимого элемента [3].
Отдельно стоит выделить иммобилизацию компонентов путем включения в гели. Суть этого метода состоит в том, что молекулы вносимой фазы включаются в трехмерную сетку из тесно переплетенных полимерных цепей, образующих гель. Среднее расстояние между соседними цепями в геле меньше размера молекулы включаемого вещества, поэтому он не может покинуть полимерную матрицу и выйти в окружающий раствор, т.е. находится в иммобилизованном состоянии. Иммобилизацию в геле осуществляют двумя способами. В первом случае, компонент вводят в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате которой возникает пространственная структура полимерного геля с включёнными в его ячейки молекулами дисперсной фазы. Во втором, компонент вносят в раствор уже готового полимера, который впоследствии переводят в гелео б разное состояние. Иммобилизация в гелях обеспечивает равномерное распределение частиц в объёме носителя. Все гели обладают высокой механической, химической, тепловой и биологической стойкостью, благодаря чему обеспечивается возможность многократного использования элемента, включённого в его структуру [4].
При выборе метода иммобилизации стоит обратить внимание на такие важные критерии, как:
1. Используемый метод иммобилизации не должен в значительной степени влиять на реакционную способность элемента либо должен происходить эффективный распад сорбента с высвобождением элемента, при физической иммобилизации,
2. Необходимо осуществлять иммобилизацию таким образом, чтобы в результате максимальное количество элемента сохранялось на носителе, а также оставалось
в стабильном состоянии.
3. Необходимо минимизировать потенциальный токсичный эффект возможный при образовании соединении, в случае ковалентной иммобилизации.
4. Трудоемкость стадии иммобилизации должна быть минимальной, как и число манипуляций.
5. Необходима экономическая рентабельность метода иммобилизации.
В качестве носителей, подходящих для проведения иммобилизации микроэлементов, в первую очередь, подходят нерастворимые или гелеобразующие природные сорбенты. К популярным можно отнести: агар, пектин, хитозан, коллаген и другие. Одним из плюсов данных материалов является возможность применения в технологии хлебобулочных, мучных и кондитерских изделий [5].
Одним из наиболее распространенных является хитозан - деацетилированное производное хитина, представляющее собой полимер, состоящий из N-ацетил-2-амино-2-дезокси-Вглюкопиранозы, связанной 1-4- гликозидными связями. Известно, что хитозан является относительно нетоксичным, биосовместимым ингредиентом, при пероральном применении мьплам 11)50 превышает 16 г/кг, что классифицируется как нетоксичное вещество. Основная его добыча сводится к переработке панцирей мелких ракообразных. Однако существует также производство хитозана с использованием грибов, щелочная обработка которых удаляет белок и деацетилиру-ет хитин одновременно. В свою очередь, слабая растворимость хитозана в воде, но активная в присутствии растворов кислот может способствовать усвоению готового соединения в желудке. Хитозану, в качестве носителя, подходит ряд методов иммобилизации, включая как адсорбционную, так и ковалентную. Высокая защита вносимой фазы и противомикробные свойства сделали хитозан одним из самых популярных носителей в пищевой промышленности [6].
К полисахаридам, подходящим в качестве носителя, можно отнести природные гелеобразующие соединения, такие как агар и пектин. Агар - стабилизатор и загуститель, состоящий из агарозы и агаропектина, преимущественно получаемый путём экстрагирования из красных водорослей. Хорошо растворим в воде и при нагревании способен к образованию устойчивой структуры геля. Помимо этого, к агару, применим так же метод ковалентной иммобилизации. Благодаря высокой степени расщепления, способен гарантированно обеспечить поступление иммобили-зированного компонента в организм. Схожими свойствами обладает пектин - получаемый экстрагированием фруктов, преимущественно яблока. Пектин является одним из некрахмальных полисахаридов, который составляет основную часть стенки растительной клетки в ассоциации или замещении другими полисахаридами, и они охватывают большое разнообразие биологических функций и химических структур. Пектины практически не усваиваются пищеварительной системой человека, являясь энтеросорбентами, прекрасно подходят в качестве носителя, применимого в сорбционной иммобилизации [7].
В первую очередь, при выборе носителя стоит обратить внимание на такие физико-механические характеристики как: насыпной вес, истинная плотность, влажность, механическая прочность и удельный объем. Насыпной вес характеризуется отношением массы объекта к занимаемому им объему. Истинная плотность представляет собой массу единицы объема слоя адсорбента с вычетом объема всех пор, рассчитывается как отношение массы образца сорбента к массе вытесненной при измерении воды. Механическую прочность сорбента определяют по изменению фракционного состава до и после восьмичасового встряхивания. Удельный объем сорбента равен отношению объема набухшего сорбента к массе его сухой формы. Для определения удельного объема носителя необходима информация и о его влажности. Стоит помнить, что поверхность одного и того же адсорбента, доступная для молекул растворенного вещества, зависит от их размера и не является постоянной для различных адсорбентов. Кажущийся объем набухшего сорбента - величина пе-
ременная, зависящая от гранулометрического состава. Удельный объем вычисляют по формуле [8]:
_ х 100 ¥уА ~ «1(100 - К-)'
где Ун - объем набухшего сорбента, см3/г; т - масса сухого сорбента, г; - влажность сорбента, %.
В качестве примера сравнения фнзико-механических характеристик потенциальных носителей были взяты уголь марки БАУ-А и пищевой хитозан. Стоит помнить, 0,04 (99%) что часть характеристик представляет собой величины неременные, для получения наиболее точного результата необходимо повторное определение (табл. 1).
Таблица 1
Сравнение физико-механических характеристик носителей в иммобилизации
Сорбент Насыпной вес, г/см3 Истинная плотность, г/ см3 Влажность, % Удельный объем, см3/г Механическая прочность, %
Уголь ВАУ-А 0,5577 1,0928 3,3658 2,2680 80,9523
Хитозан 0,7691 1,1366 9,4157 2,9812 90,4761
Исходя из полученных результатов видно, что хитозан обладает большей механической прочностью и площадью в готовом виде. Однако эти признаки лишь косвенно указывают на результативность данного соединения в качестве носителя. Истинную эффективность в удержании необходимого элемента можно определить лишь после получения данных о таких технических показателях как: полная, фактическая, обменная емкости сорбента, а также гранулометрический состав, химическая и термическая стойкости сорбентов.
Выбор носителя играет не менее важную роль, чем выбор методики. Основные требования к выбираемой дисперсионной среде можно охарактеризовать как:
1. Биополимер при растворении участвует в процессе гелеобразования путем повышения вязкости раствора.
2. Биополимер не оказывает влияние на химические и органолептические показатели готовых продуктов.
3. Носитель способен к устойчивому расщеплению или потере вязкости в желудочно-кишечном тракте, с целью эффективной передачи зафиксированного компонента.
4. После иммобилизации носитель не оказывает токсического воздействия на потребителя.
В настоящий момент кафедрой сервиса и ресторанного бизнеса Воронежского государственного университета инженерных технологий ведется разработка технологии иммобилизации эссенциальных элементов на поверхности биополимерных носителей с целью обогащения ими изделий мучных, кондитерских изделий и хлеба
[9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Ильина, Г. В. Алиментарный путь решения проблемы дефицита микроэлемента Германия / Г. В. Ильина, Д. ГО. Ильин / / Качество жизни населения и экология: Сборник статей II Всероссийской научно-практической конференции, Пенза, 22-23 августа 2022 года / Под научной редакцией Г.В Ильиной. - Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2022. - С. 44-47.
2. Применение иммобилизованных микроводорослей в биотехнологии / С. Г. Васильева, Е. С. Аобакова, А. А. Лукьянов, А. Е. Соловченко / / Вестник Московского университета. Серия i6: Биология. - 2016. - № 3. - С. 65-72.
3. Демьянцева Е.Ю., Парфенова A.B. Способы инкапсулирования ферментов:
учебно-метод. пособие / ВШТЭ СПбГУПТД - СПб., 2018. - С. 20.
4. Лльгппат натрия как перспективный носитель для иммобилизации фицина путем включения в гель / Е. А. Щеголеватых, С. С. Олыпанникова, Д. А. Наразина [и др.] // Материалы XIII школы-конференции молодых ученых "кому-202 Iя: Ижевск,
2021. - С. 45-46.
5. Белокурова, Е. В. Выбор носителя для проведения иммобилизации коллоидных структур микроэлементов на его поверхности / Е. В. Белокурова, М. А. Сарг-сян // Наука и Образование. - 2022. - Т. 5. - № 2.
6. Матиев, О. Иммобилизация иапапна на хитозан / О. Матпев, А. А. Белов // Успехи в химии и химической технологии. - 2021. - Т. 35. - № 12(247). - С. 117-119.
7. Хомус, С. С. С. У. Получение пектина из якутской черной смородины / С. С. С. У. Хомус, К. М. Степанов // Международный научно-исследовательский журнал. -
2022.-No 1-1(115). - С. 84-88.
8. Комнссаренков А. А., Федорова О. В. Сорбцпоиные технологии. Определение свойств сорбентов; учебно-методическое пособие для выполнения курсовой работы / СПбГТУРП. - СПб., 2015. - С. 44.
9. Белокурова, Е. В. Подбор микроэлементов для иммобилизации их коллоидных структур на природном носителе с целью обогащения основных пищевых продуктов / Е, В, Белокурова, Е, С. Попов, М. А, Саргсян // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2022. - Т. 84. - № 1(91). - С. 162-166.
REFERENCES
1. Ilyina, G. V. Alimentary way of solving the problem of micronutrient deficiency tn Germany / G. V. Ilyina, D. Y. Ilyin f f Quality of life of the population and ecology': Collection of articles of the II All-Russian Scientific and Practical Conference, Penza, August 2223, 2022 / Under the scientific editorship of G.V. Ilyina. - Penza: Penza State Agrarian University, 2022. - Pp. 44-47.
2. Application of immobilized microalgae in biotechnology / S. G. Vasilycva. E. S. Lobakova, A. A. Lukvanov, A. E. Solovchenko // Bulletin of the Moscow University. Series 16: Biology. - 2016. - No. 3. - Pp. 65-72.
3. Demyantseva E.Yu., Parfenova A.V. Methods of encapsulation of enzymes: educational method. manual/HSE SPbGUPTD - SPb., 2018. - Pp. 20.
4. Sodium alginate as a promising carrier for the immobilization of ficin by inclusion in the gel / E. A. Shchegolevatvkh, S. S. Olshannikova, D. A. Narazina [et al.j // Materials of the XIII school-conference of young scientists "to-2021": MATERIALS OF the XIII SCHOOL-CONFERENCE of YOUNG SCIENTISTS, Izhevsk, October 18-22, 2021. -Izhevsk: Federal State Budgetary Institution of Science "Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences", 2021. - Pp. 45-46.
5. Belokurova, E. V. The choice of a carrier for immobilization of colloidal structures of trace elements on its surface / E. V. Belokurova, M. A. Sargsyan // Science and Education. - 2022. - Vol. 5. - No. 2.
6. Matiev, O. immobilization of papain on chitosan / O. Matiev, A. A. Belov // Advances in chemistry and chemical technology. - 2021. - T. 35. - Nq 12(247). - Pp. 117119.
7. Khomus, S. S. S. U. Obtaining pectin from Yakut black currant / S. S. S. U. Kho-mus, К. M. Stepanov // International Scientific Research Journal. - 2022, - Nu 1-1(115). -Pp. 84-88.
8. Komissarenkov A. A., Fedorova О. V. Sorption technologies. Determination of the properties of sorbents: an educational and methodological guide for the course work / SPbGTURP. - St. Petersburg, 2015. - Pp. 44.
9. Belokurova, E. V. Selection of trace elements for immobilization of their colloidal structures on a natural carrier for the purpose of enriching basic foodstuffs / E. V. Belokurova, E. S. Popov, M. A. Sargsyan // Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies. - 2022. -T. 84. - № 1(91). - Pp. 162-166.
