Использование ультразвукового излучения для экстракции антиоксидантов из ягод

УДК 664.8.022.6

Использование ультразвукового излучения

для экстракции антиоксидантов из ягод

Н. Б. Еремеева, Н. В. Макарова, д-р хим наук, профессор Самарский государственный технический университет

В настоящее время возрождается интерес к использованию растительного сырья в качестве источника биологически активных соединений. Хорошо известно, что диета, богатая фруктами и овощами, защищает организм от сердечно-сосудистых заболеваний [1]. Интерес к биологической активности фенольных соединений высших растений объясняется их потенциальной пользой для здоровья человека из-за участия в важнейших биологических процессах. Благоприятное воздействие на здоровье оказывают полифенолы, которые обладают антиоксидантной активностью и способны защищать важные макромолекулы, такие как ДНК, белки и ферменты, липопротеиды и липиды мембраны от повреждений, вызванных действием свободных радикалов [2]. Получение фенольных соединений путем их выделения из фруктов и ягод является перспективной задачей в связи с увеличением спроса на них в пищевой и косметической промышленности.

Для производства обогащенных продуктов питания и косметических средств в качестве добавок чаще всего используют концентрированные экстракты. Традиционная технология производства экстрактов заключается в дроблении и дефростации ягодного сырья, отжиме сока и экстрагировании жома. Такой метод обычно имеет низкую эффективность, которая может быть существенно повышена с помощью некоторых инноваций. Это может быть экстракция при использовании ультразвукового облучения - метод достаточно дешевый и требующий минимального аппаратурного оформления [3]. Увеличение выхода экстракта за счет использования ультразвука связано в первую очередь с разрушением клеточных структур (лизисом) или с распадом клетки. Ультразвук оказывает механическое воздействие, что приводит к проникновению растворителя в матрицу ягод, увеличивая площадь контактной поверхности между твердой и жидкой фазами [3, 4]. Увеличение массопереноса и значительное нарушение клеточных стенок приводят в конечном итоге к увеличению выхода экстракта. Ультразвуковые

волны также могут вызывать некоторые химические процессы, которые нежелательны из-за изменения химического состава, возможной деградации целевых соединений и возникновения свободных радикалов в пузырьках газа [5]. Следовательно, условия экстракции, такие как время, температура, мощность и ультразвуковая частота, должна быть точно определены в процессе исследований.

Использование местного растительного сырья для производства экстрактов является экономически обоснованным. В представленной работе ультразвуковое излучение (УЗИ) применяется для извлечения антиоксидантных соединений из ягод черноплодной рябины, черной смородины, малины и вишни. Все ягодное сырье было взято из нескольких местных источников. В качестве растворителя использовали 50%-ный этиловый спирт, поскольку он является доступным, получаемым из возобновляемого источника и экологически безопасным. Экстракты были получены с использованием ультразвукового прибора ПСБ-2835-05 (частота 35 кГц) при 37 °С в течение 1 ч. В качестве контрольной группы были получены экстракты при 37 °С в течение 2 ч без использования УЗИ.

Общее содержание фенольных веществ определяли фотоколориметрическим методом [6] с помощью реактива Folin-Ciocalteu's. Методика основана на окислении фенольных групп исследуемого спиртового экстракта реактивом Folin-Ciocalteu's в среде насыщенно-

го карбоната натрия. Реакция протекает при температуре 20 °С в течение 30 мин, после чего измеряется коэффициент пропускания при 725 нм. Общее содержание фенольных веществ определяется по калибровочной кривой и выражается в мг галловой кислоты на 100 г исходного сырья. Из рис. 1 можно увидеть, что использование ультразвукового облучения приводит к увеличению содержания фенольных веществ в экстракте до 1,5 раз.

Общее содержание флавоноидов измеряли фотоколориметрическим методом по интенсивности протекания реакции с растворами нитрита натрия и хлорида алюминия [7]. Коэффициент пропускания вычисляли при длине волны 510 нм. Общее содержание флавоноидов определяли по калибровочной кривой и выражали в мг катехина на 100 г исходного сырья. Использование УЗИ позволяет незначительно увеличить содержание флавоноидов во всех получаемых экстрактах (рис. 2).

Определение общего содержания антоцианов проводится путем измерения оптической плотности при двух разных значениях рН (1,0 и 4,5) [8]. Коэффициент пропускания определяли при длине волны 515 и 700 нм. Общее содержание антоцианов определяли по калибровочной кривой и выражали в мг цианидин-3-гликозида на 100 г исходного сырья. Аналогично фенолам и флавоноидам общее содержание антоцианов увеличивается при обработке получаемых экстрактов ультразвуковым излучением (рис. 3).

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

1000,0 900.0 800.0 700.0  Контроль УЗИ 8?9.7б 790.89

600.0

500,0

400.0

300.0

200.0 100.0 0.0 77.4 83.04 97.11 11031 »08.21 103,96 Н М_

Малина Вишня Черная смородина Черноплодная рябина

Рис. 3. Общее содержание антоцианов в экстрактах контрольной группы и экстрактах, полученных при ультразвуковом облучении, мг цианидин-3-гликозида/100 г исходного сырья

Малина Вишня Черная смородина Черноплодная рябина

Рис. 4. Антирадикальная активность по методу DPPH в экстрактах контрольной группы и экстрактах, полученных при ультразвуковом облучении, Ес50, мг/мл

Антиоксидантная активность экстрактов ягод, полученных в условиях ультразвукового излучения

Сырье FRAP значение, ммоль Fe2+/ 1 кг сырья Антиоксидантная активность в системе линолевая кислота, % ингибирования окисления линолевой кислоты

Малина Контроль/ УЗИ 7,92 / 10,08 57,5 /54,1

Вишня Контроль/ УЗИ 11,97/12,87 68,3 / 50,7

Черная смородина Контроль/ УЗИ 6,48 /8,01 38,4/ 51,7

Черноплодная рябина Контроль/ УЗИ 18,36 / 19,98 27,6 /69,9

Антирадикальную активность определяли по методу DPPH [6]. Методика основана на способности антиок-сидантов исходного сырья связывать стабильный хромоген-радикал 2,2-дифенил-1-пикрилгидразил (DPPH). Реакция протекала в течение 30 мин в темноте при температуре 20 °С, после чего определяли коэффициент пропускания при 517 нм. Антирадикальную активность выражали в виде концентрации исходного экстракта в мг/мл, при котором происходило связывание 50% радикалов. Из рис. 4 видно, что способность тормозить действие свободных радикалов (метод DPPH) при экстракции в условиях ультразвукового излучения для малины, вишни и черной смородины резко увеличивается.

Восстанавливающую силу изучаемых объектов определяли по методу FRAP. Методика [9] основана на способности активных веществ исходного экстракта восстанавливать трехвалентное железо. Реакция исходного спиртового экстракта с FRAP-реагентом (2,4,6-трипиридил-Б-триазином) протекает при 37 °С в течение 4 мин. Коэффициент пропускания измеряется при длине волны 593 нм. Восстанавливающую силу определяли по калибровочному графику и выражали в ммоль Fe2+/ 1 кг исходного сырья. Анализ экстрактов, полученных при действии УЗИ на восстанавливающую силу, показывает, что антиоксидантность растет по сравнению с контрольной группой образцов, что отмечено в табл. 1.

Антиокислительную активность образцов определяли в системе линолевой кислоты [10]. Методика основана на способности антиокси-дантов изучаемого сырья ингибиро-вать процессы окисления линолевой кислоты при условиях, приближенных к состоянию живой клетки. Процесс проводят в модельной системе при температуре 40 °С и рН 7,0 в течение 120 ч, после чего измеряется степень окисления по образованию гидроперекисей, реагирующих с растворами NH4SCN и FeCl2 в НС1. Антиоксидантная активность выражается в процентах ингибирования окисления линолевой кислоты. Для черной смородины и черноплодной рябины обработка УЗИ позволила увеличить способность ингибирования линолевой кислоты (см. таблицу).

Таким образом, использование ультразвукового излучения при получении экстракта ягод позволяет увеличить содержание фенольных соединений и антиоксидантную активность в целом. УЗИ позволило увеличить выход антиоксидантов за меньшее время при той же темпе-

ратуре, которая оптимальна для экстракции термически нестабильных компонентов из ягод.

ЛИТЕРАТУРА

1. Curin, Y. Polyphenols as potential therapeutical agents against cardiovascular diseases/Y. Curin, R. Andri antsitohaina/Pharmacological Reports. -2005. - V. 57. - P. 97-107.

2. Schroeter, H. Phenolic antioxidants attenuate neuronal cell death following uptake of oxidized low-density lipoprotein/H. Schroeter, R. J. Williams, R. Matin, L. Iversen and C. A. Rice-Evans // Free Radical Biology and Medicine. - 2000. - V. 29, №. 12. - P. 12221233.

3. Rostagno, M. A. Ultrasound-assisted extraction of soy isoflavones / M. A. Rostagno, M. Palma, C. G. Barroso // Journal of

Chromatography A. - 2003. - V. 1012. -P. 119-128.

4. Wang, J. Optimisation of ultrasound-assisted extraction of phenolic compounds from wheat bran/J. Wang, B. Sun, Y. Cao, Y. Tian, X. Li // Food Chemistry. - 2008. -V. 106. - P. 804-810.

5. Paniwnyk, L. The extraction of rutin from flower buds of Sophora japonica/ L. Paniwnyk, E. Beaufoy, J. P. Lorimer, T. J. Mason // Ultrasonics Sonochemistry. - 2001. - V. 8. - P. 299-301.

6. Sun, T. Antioxidant phytochemicals and antioxidant capacity of biofortified carrots (Daucus carota L.) of various colors/ T. Sun, P. W. Simon, S. A. Tanumihardjo // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2009. - V. 57, № 10. - P. 4142-4147.

7. Skerget, M. Phenols, proanthocyanidins, flavones and flavonols in some plant materials and

their antioxidant activities/M. Skerget, P. Kotnik, M. Hadolin, A. Rizner Hras, M. Simonic, Z. Knez // Food Chemistry. -

2005. - V. 89. - № 2. - P. 191-198.

8. D'Abrosca, B. Fiorentino 'Limoncella' apple, an Italian apple cultivar: phenolic and flavonoids contents and antioxidant activity / B. D'Abrosca, S. Pacifico, G. Cefarelli, C. Mastellone // Food Chemistry. - 2007. - V. 104. - № 4. - P. 202-207.

9. Chvatalova, K. Influence of dietary phenolic acids on redox status of iron: ferrous iron autoxidation and ferric iron reduction/ K. Chvatalova, I. Slaninova, L. Brezinova, J. Slanina // Food Chemistry. -2008. - V. 106. - № 2. - P. 650-660.

10. Zin, Z. M. Antioxidative activities of chromatographic fractions obtained from root, fruit and leaf of Mengkudu (Morinda citrifolia L.)/ Z. M. Zin, A. A. Hamid, A. Osman, N. Saari // Food Chemistry. -

2006. - V. 94. - № 2. - P. 169-178.

Использование ультразвукового излучения для экстракции антиоксидантов из ягод

Ключевые слова

антиоксидантная активность; ультразвуковое излучение; фенолы; экстракция, ягоды

Реферат

онцентрированные экстракты все чаще используются в качестве добавок при производстве обогащенных продуктов питания и косметических средств. Традиционная технология производства экстрактов имеет низкую эффективность. Одним из методов повышения эффективности экстракции и является ультразвуковое облучение, которое достаточно дешево и требует минимального аппаратурного оформления. В статье рассмотрены и изучены вопросы влияния ультразвукового излучения на свойства ягодных экстрактов: химический состав, антирадикальную, антиокислительную активность, восстанавливающую силу. Объектами исследования являются экстракты ягод черноплодной рябины, черной смородины, малины и вишни, произрастающих на территории Самарской области. Работы выполнялись на базе Самарского государственного технического университета (кафедра «Технология и организация общественного питания»). Экстракты были получены с использованием ультразвукового прибора ПСБ-2835-05 (частота 35 кГц) при 37 °С в течение 1 ч. В качестве контрольной группы были получены экстракты при 37 °С в течение 2 ч без воздействия ультразвука. Использование ультразвукового облучения позволяет увеличить содержание фенольных веществ в экстракте по сравнению с экстракцией методом мацерации 1,1-1,5 раза. Анализ экстрактов на содержание флавоноидов и антоцианов показал, что использование УЗИ незначительно увеличивает их концентрацию. Способность тормозить действие свободных радикалов DPPH при экстракции в условиях ультразвукового излучения для малины, вишни и черной смородины резко увеличивается. Восстанавливающая сила возрастает после ультразвуковой обработки по сравнению с контрольной группой образцов. После воздействия экстракты черной смородины и черноплодной рябины имеют большую способность ингибирования линолевой кислоты по сравнению с экстрактами, полученными в стандартных условиях.

Авторы

Еремеева Наталья Борисовна, Макарова Надежда Викторовна, д-р хим наук, профессор,

Самарский государственный технический университет, 44310о, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, гл. корпус, MakarovaNV1969@yandex.ru

The Use of Ultrasonic Radiation for the Extraction of Antioxidants from Berries

Key words

ultrasonic irradiation; extraction; antioxidant activity; phenols; berries

Abstracts

Concentrated extracts are increasingly used as additives in the production of fortified foods and cosmetics. Traditional technology of production of extracts have a low efficiency. One of the methods to increase the efficiency of extraction can be ultrasonic irradiation, which is quite cheap and requires a minimum of hardware design. The article studied the influence of ultrasonic radiation on the properties of berry extracts: chemical composition, antiradical, antioxidant activity, reparative force. The objects of study are extracts from berries of Aronia melanocarpa, black currant, raspberry and cherry, growing on the territory of Samara region. Work was done on the basis of Samara state technical University, Department of Technology and organization of public catering. The extracts were obtained using an ultrasonic device PSB-2835-05 at a frequency of 35 kHz at 37 °C for 1 hour. In the control group were received the extracts at 37 °C for 2 hours without the use of ultrasound. In this paper various techniques are used to determine the level of antioxidant activity: the content of total amount of phenolic compounds equivalent to Gallic acid, flavonoids equivalent catechin equivalent anthocyanins cyanidin-3-glycoside, antiradical capacity using the free radical DPPH method (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl), restoring force by the method of FRAP (ferric reducing antioxidant power), antioxidant activity in linoleic acid system. The use of ultrasonic irradiation allows to increase the content of phenolic compounds in the extract compared with the extraction method maceration from 1.1 to 1.5 times. Analysis of extracts the content of flavonoids and anthocyanins showed that the use of ultrasound significantly increases their concentration. Ability to inhibit free radical DPPH method for extraction under the conditions of ultrasonic radiation for raspberry, cherry and blackcurrant increases sharply. Restoring forces is increased after ultrasound treatment compared to the control group samples. Ultrasound-extracts of black currant and chokeberry have a greater capacity of inhibition of linoleic acid compared with the extracts obtained under standard conditions.

Authors

Eremeeva Natalya Borisovna, Makarova Nadezhda Viktorovna,

Doctor of Chemical Science, Professor

Samara State Technical University, 244, Main Building,

Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100,

MakarovaNV1969@yandex.ru