Влияние ферментации и лиофильного высушивания на сохранность витаминов и каротина в ягодных соках

УДК 574/577

Н. А. Кузьмина, К. С. Болотова, Е. В. Новожилов, Д. И. Фалев, М. В. Емельянова, З. А. Канарская

ВЛИЯНИЕ ФЕРМЕНТАЦИИ И ЛИОФИЛЬНОГО ВЫСУШИВАНИЯ

НА СОХРАННОСТЬ ВИТАМИНОВ И КАРОТИНА В ЯГОДНЫХ СОКАХ

Ключевые слова: ягоды, пектиназа, витамины, соки, лиофильное высушивание.

Установлено, что специфичность действия ферментного препарата пектиназы исключает вероятность деструкции витаминов и каротина при получении соков из ягод. Показано, что сохранение витаминов и каротина в ягодных составах, полученных ферментированием сырья, обеспечивается низкотемпературными методами концентрирования напитка.

Keywords: berries, pectinase, vitamins, juices, lyophilisation, beverage, low-temperature concentrating.

It was found that the specificity of the pectinase preparation eliminates the possibility of vitamins and carotin destruction during juice production from the berries. It is shown that the preservation of vitamins and carotin in the fermented juice-contained beverages provides by low-temperature methods of the beverage concentrating.

Введение

На Европейском Севере ценным источником биологически активных веществ является ягодное сырье. Плоды и ягоды важны для питания человека в связи с тем, что обладают ценными пищевыми и лекарственными свойствами. В них содержатся минеральные вещества, витамины, биофлавоноиды, антиоксиданты, органические кислоты, дубильные вещества и др. [1 - 7].

Важными компонентами, влияющими на эффективность переработки ягодного сырья, являются пектиновые вещества. Они растворяются в воде с образованием плотных гелей, особенно в присутствии органических кислот и сахаров. Относительно высоким содержанием пектинов отличаются ягоды: смородина (черная, красная, желтая) - 1,3 - 2,7 %, клубника, клюква, малина - около 0,9 %, крыжовник - около 0,7 % и т.д. [6] Протопектин (нерастворимый в воде комплекс пектина с целлюлозой и геми-целлюлозами) составляет от 30 до 70 % пектиновых веществ в зависимости от ягодного сырья. При переработке ягод содержание пектиновых веществ в клеточных стенках влияет на эффективность соко-отдачи и устойчивость продукта при хранении. Применение таких технологических приемов как механическое воздействие, нагревание вызывает разрушение клеточных стенок растений и позволяет получить большее количество сусла, но при этом возрастают энергетические затраты, а биологические вещества сусла могут модифицироваться или деструктировать [8].

Наиболее перспективным методом, позволяющим сохранить полифункциональный комплекс активных компонентов плодово-ягодного сырья, является его переработка с помощью ферментных препаратов пектиназ, гидролизующих пектиновые вещества и позволяющих интенсифицировать технологические процессы, повысить качество и конкурентоспособность витаминизированных сокосодер-жащих ягодных составов [6].

Целью данной работы является исследование влияния ферментативной обработки ягод и лио-

фильного высушивания ягодных составов на сохранение в них витаминов.

Материалы и методы исследований

Составление рецептур ферментированных ягодных соков проводили по общепринятым рекомендациям [9]. Для приготовления соков использовали ягоды, собранные в Архангельской области в 2014 году. Хранение сырья осуществляли в замороженном состоянии. Влажность ягод перед переработкой составила: крыжовник - 82,5 %, ирга - 76,2 %, красная смородина - 81,8 %, калина - 85,9 %, малина -80,1 %, морошка - 74,1 %, клюква - 43,9 %, черника - 80,5 %, черная смородина - 88,1 % и брусника -83,6 %. В качестве добавки в соках также использовали сухие цельные почки сосны и таежный мед натуральный цветочный. Влажность образцов определяли на анализаторе влажности ЭВЛАС-2М.

Обработку ягодного сырья проводили с использованием ферментного препарата пектиназы PectinexUltra SP-L компании Novozymes (Дания). Расход фермента на гидролиз пектиновых веществ сырья составил 5 г/кг (по а.с.в.). Сырье измельчали в гомогенизаторе до содержания 100 г/л (по а.с.в.). Для дополнительной витаминизации ягодных соков при ферментной обработке вносили измельченные почки сосны в количестве 0,1 г/г ягод (по а.с.в) [10, 11]. Образцы инкубировали на орбитальном шей-кере-инкубаторе ES-20 (Biosan, Латвия) в течение 3 ч при 42°С (190 об/мин). Затем ягодные суспензии фильтровали и лиофильно высушивали на аппарате FreeZone (Labconco, США).

Пробоподготовка образцов ягодного сока для определения содержания витаминов заключалась в следующем: составы разбавляли в 5 раз ацетонитри-лом для осаждения белка, в течение 1 ч перемешивали, центрифугировали, фильтровали через мембранный нейлоновый фильтр, и вводили в хромато-графическую систему.

Содержание витаминов в ягодных соках анализировали методом жидкостной тандемной хромато-масс-спектрометрии с использованием ВЭЖХ-МС/МС системы, состоящей из масс-спектрометра с тройным квадруполем LCMS-8030 (Shimadzu, Япо-

ния), а также жидкостного хроматографа LC-30 «Nexera» (Shimadzu, Япония). Разделение проводили в обращенно-фазовом режиме на колонке ZorbaxSb-Aq, 150^3,0 мм, 5мкм (Agilent, США). Для хромато-графического разделения в качестве элюента использовали смесь 0,5 % водного раствора муравьиной кислоты с изопропанолом. Принимая во внимание значительное различие исследуемых соединений по полярности и, как следствие, по времени удерживания, для сокращения продолжительности анализа использовали градиентное элюирование. Общее время анализа составило 15 мин. Анализ стандартных образцов показал соблюдение линейности градуировочных зависимостей для всех исследуемых компонентов в диапазоне концентраций 0,001 - 0,5 мг/л, при этом коэффициент корреляции составил более 0,999.

Результаты и обсуждение

Ягодные соки, полученные в результате ферментативного гидролиза пектиназой PectinexUltra SP-L, отличались по показателю кислотности. Диапазон параметра рН среды варьировался от 2,7 до 4,1 в зависимости от вида сырья. В частности, показатель рН соков из клюквы - 2,7; из брусники, черники, черной и красной смородины, крыжовника, калины

- лежит в диапазоне 2,9-3,1; из малины и морошки

- 3,3-3,4; из ирги - 4,1.

В отношении большинства витаминов кислая реакция среды предпочтительнее для предотвращения их разрушения в производстве соков. Ферментативный гидролиз пектиновых веществ в ягодах позволил избежать желирования продукта.

Другим важным параметром, существенно влияющим на сохранение витаминов в процессе технологической переработки ягод, является температура. Температурная обработка часто используется для концентрирования продуктов питания, однако большинство ценных веществ, содержащихся в ягодах, чувствительны к высоким температурам. Одним из перспективных методов концентрирования, позволяющих сохранять активность компонентов, является лиофильное высушивание. В этом случае влагу удаляют с использованием вакуума из предварительно замороженного продукта.

По результатам исследования содержание витаминов Bj, B6, B2, Е и каротина в составах, полученных обработкой ферментом, до лиофильной сушки и после восстановления высушенных продуктов практически не изменилось для большинства образцов (табл. 1, 2). Погрешность определения витаминов в ягодных составах не превышает 10 %.

Наиболее чувствительными к технологическим условиям получения продукта оказались образцы составов из брусники, черной смородины и ирги в отношении показателя водорастворимых витаминов группы В. Максимальное снижение содержания этих витаминов в указанных образцах составило до 20 % от исходного. Учитывая, что потери витаминов группы В при термической обработке в пищевых производствах составляют 20 - 50 % [12], проведение ферментативной обработки в низкотемператур-

ных условиях позволит их минимизировать или полностью исключить.

Таблица 1 - Содержание витаминов Bb B6 и B2 в ягодных составах до и после лиофилизации

Вид сырья Содержание витаминов в сокосодер-жащих ягодных составах до и после лиофилизации, мкг/л

B1 B6 B2

до после до после до после

Брусника 63 58 48 10 87 19

Черника 36 33 25 24 33 31

Черная смородина 18 - 10 10 66 46

Крыжовник 37 36 29 29 44 42

Ирга 1 0,6 21 14 79 63

Калина 85 78 66 66 134 98

Малина 54 27 23 22 132 94

Красная смородина 29 28 52 47 48 42

Морошка 50 45 67 62 82 34

Клюква 80 63 59 48 27 19

Таблица 2 - Содержание витаминов Е и каротина в ягодных составах до и после лиофилизации

Вид сырья Содержание витаминов в сокосодер-жащих ягодных составах до и после лиофилизации, мкг/л

Е каротин

до после до после

Брусника 6 6 155 62

Черника 8 8 57 53

Черная смородина 7 8 60 58

Крыжовник 7 6 59 56

Ирга 7 8 58 55

Калина 5 6 60 60

Малина 6 7 59 57

Красная смородина 6 7 58 69

Морошка 8 7 60 64

Клюква 6 6 62 66

В среднем полученные ягодные составы содержат следующие количества витаминов: В1 - 0,5 -80,5 мкг/л, В2 - 19,2 - 133,8 мкг/л, В6 - 7,8 - 67,1 мкг/л, Е - 5,3 - 8,1 мкг/л и каротин - 53,1 - 69,1 мкг/л. Наиболее витаминизированными по исследованному комплексу являются составы на основе калины, малины, морошки и клюквы. Внесение почек сосны способствует улучшению органолептиче-ских свойств образцов.

Учитывая рекомендуемые суточные дозы исследованных витаминов для человека [13], полученные ферментированные сокосодержащие ягодные составы вносят около 5 % от нормативного потребления витаминов группы В при употреблении 1 л напитка.

Схема приготовления ягодных составов с применением пектиназ и стадии лиофильной сушки представлена на рис. 1.

Рис. 1 - Принципиальная схема приготовления ферментированных сокосодержащих ягодных составов: 1 - измельчение, 2 - получение суспензии, 3 - ферментативный гидролиз, 4 - фильтрация, 5 -внесение подсластителя, 6 - лиофилизация

Ягодное сырье и почки сосны в количестве 0,1 г/г ягод (по а.с.в) измельчают (операция 1). Добавляют воду до получения суспензии концентрацией 50 г/л (по а.с.в.) и ферментный препарат Pectinex Ultra SP-L в количестве 5 г/кг ягод (по а.с.в) (операция 2). Далее проводят ферментативный гидролиз сырья при перемешивании в течение 3 ч при 42 °С (190 об/мин) (операция 3), фильтруют напиток (операция 4) и вносят подсластитель (например, мед) с учетом кислотности напитка (операция 5). Лиофи-лизируют продукт (операция 6).

Заключение

Условия ферментативной обработки ягод и специфичность действия препарата пектиназы позволят полностью исключить или минимизировать деструкцию витаминов, в частности, группы В при получении соков из северных ягод.

Сохранение витаминов и каротина в ягодных составах, полученных ферментацией сырья, обеспечивается низкотемпературным методом консервации напитка путем лиофилизации продукта.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП НО «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета имени

М. В. Ломоносова при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 15.8815.2017/БЧ базовой части государственного задания).

Литература

1. И.В. Смотраева, П.Е. Баланов, О.Б. Иванченко, Р.Э. Хабибуллин, Биологическая стабилизация напитков нативными ингредиентами из растительного сырья.

© Н. А. Кузьмина - асп. каф. биологии, экологии и биотехнологии высшей школы естественных наук и технологий САФУ им. М.В. Ломоносова, natik kuzmina@mail.ru; К. С. Болотова - к.т.н, доцент той же кафедры, k.bolotova@narfu.ru; Е. В. Новожилов - д.т.н, профессор той же кафедры, e.novozhilov@narfu.ru; Д. И. Фалев - младший научный сотрудник центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика» САФУ им. М.В. Ломоносова, danil-man2@mail.ru; М. В. Емельянова - к.т.н, доцент кафедры биологии, экологии и биотехнологии высшей школы естественных наук и технологий САФУ им. М.В. Ломоносова, m.emelyanova @narfu.ru; З. А. Канарская - к.т.н, доцент кафедры пищ Бб, КНИТУ, zosya_kanarskaya@mail.ru.

Вестник Казанского технологического университета, 17, 22, 229-231 (2014).

2. В.В. Захаренков, В.З. Колтун, Применение соков дикорастущих ягод Сибири и Севера, обогащенных пектином, для снижения неблагоприятного воздействия производственных факторов на здоровье и профилактики окислительного стресса у работающих на промышленных предприятиях: методические рекомендации. НИИ комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний, Новокузнецк, 2005. 24 с.

3. В.М. Терентьева, Влияние метеорологических факторов на накопление витаминов в ягодах брусники. Аграрная наука, 9, 17-18 (2010).

4. С.Н. Кравченко, А.Н. Химич, Качественная характеристика высушенных ягод клюквы как сырья производства экстрактов. Фундаментальные исследования, 12, 46 (2008).

5. М.Н. Лютикова, Э.Х. Ботиров, Химический состав и практическое применение ягод брусники и клюквы. Химия растительного сырья, 2, 5-27 (2015).

6. В.В. Петрушевский, А.Л. Казаков, В.А. Бандюкова и др. Биологически активные вещества пищевых продуктов. Справочник. Техника, Киев, 1985. 127 с.

7. О.М. Конюхова, К.А. Масленникова, А.В. Канарский, Взаимосвязь урожайности черники обыкновенной с фи-тобиоценозом. Вестник Казанского технологического университета, 16, 22, 222-224 (2013).

8. А.А. Волчок, Е.В. Бушина, А.М. Рожкова, И.Н. Зоров, С.С. Щербаков, А.П. Синицын, Ферментные комплексы нового поколения для соковой промышленности. Биотехнология, 5, 78-89 (2013).

9. И.М. Скурихин, В.А. Тутельян, Таблицы химического состава и калорийности российских продуктов питания: Справочник. ДеЛипринт, Москва, 2008. 276 с.

10. О.В. Журба, М.Я. Дмитриев Лекарственные, ядовитые и вредные растения. КолосС, Москва, 2008. 512 с.

11. Л. Ф. Гаммерман, И. И. Гром Дикорастущие лекарственные растения СССР. Медицина, Москва, 1976. 288 с.

12. А.И. Рогов, Л.В. Антипова, Н.И. Дунченко, Химия пищи. КолосС, Москва, 2007. 853 с.

13. В.М. Коденцова, О.А. Вржесинская, А.А. Сокольников, Витаминизация пищевых продуктов массового потребления: история и перспективы. Вопросы питания, 5, 66-78 (2012).

© N. A. Kuzmina - Ph.D. student of Biology, Ecology and Biotechnology Department of Higher School of Natural Sciences and Technology of Northern Arctic Federal University named after M.V. Lomonosov, natik_kuzmina@mail.ru; K. S. Bolotova - Ph.D., Senior Lecturer in Biology, Ecology and Biotechnology Department of Higher School of Natural Sciences and Technology of Northern Arctic Federal University named after M.V. Lomonosov, k.bolotova@narfu.ru; E. V. Novozhilov- Doctor of Engineering Science, professor of Biology, Ecology and Biotechnology Department of Higher School of Natural Sciences and Technology of Northern Arctic Federal University named after M.V. Lomonosov, e.novozhilov@narfu.ru; D. l. Falev - junior research associate of Centre of Common Use of Scientific Equipment «Arctic» of Northern Arctic Federal University named after M.V. Lomonosov, danil-man2@mail.ru; M. V. Emelyanova - Ph.D., Senior Lecturer in Biology, Ecology and Biotechnology Department of Higher School of Natural Sciences and Technology of Northern Arctic Federal University named after M.V. Lomonosov, m.emelyanova @narfu.ru; Z. A. Kanarskaya - Ph.D. tech. sci., docent dep. Food biotechnology KNRTU, zosya_kanarskaya@mail.ru.