Формирование цветности карамельных составов на основе аскорбиновой кислоты

Одной из основных качественных характеристик продуктов питания является их цвет, отчасти теряющийся в процессе переработки и хранения. Для восстановления или повышения интенсивности окраски продуктов питания широко применяются пищевые красители. На смену натуральным пигментам, выработка которых в настоящее время ограничена, в широком ассортименте пришли синтетические красители, применение которых, в свою очередь, часто вызывает опасение в токсикологическом аспекте. Карамельные составы на основе углеводов и родственных соединений являются перспективными экологичными материалами с широкой функциональностью [1], важным показателем которых является цветность, обусловленная образованием в ходе карамелизации различных групп окрашенных веществ. Последние представлены непредельными гидроксикарбонильными и карбоксильными циклическими либо ациклическими соединениями различной молекулярной массы, содержащими в качестве структурных элементов протяженные системы сопряженных связей, обуславливающих окраску. Известно, что различные по природе хромофорные структуры поглощают в разных областях ультрафиолетовой и видимой частей спектра, что может быть охарактеризовано различными спектрофотометрическими индексами [1], являющимися при этом лишь интегральными параметрами, и не позволяющими в полной мере описать структурные особенности продуктов карамелизации. Детализация функционально-группового состава карамелей мо- жет быть реализована с применением совокупности методов исследования, что позволит прогнозировать ключевые свойства карамельных составов и направленно управлять процессами их получения.

В настоящее время особый интерес в пищевой технологии приобретают двухкомпонентные системы на основе L -аскорбиновой кислоты, применяемые в качестве источников биологически активных пищевых добавок [2]. Последние обладают рядом полезных свойств, при этом разработка и подбор подобных составов активно не проводится, а закономерности их получения и выделения мало изучены, в связи с чем актуальным представляется изучение закономерностей формирования продуктов совместной карамелизации L -аскорбиновой кислоты с лабильными биологически активными веществами. С другой стороны, определенный интерес представляет влияние аскорбиновой кислоты на цветовые параметры углеводных карамелей, что актуально при разработке составов полифункциональных пищевых колеров [3].

L -аскорбиновая кислота в условиях термостатирования претерпевает трансформацию по различным направлениям [4–6], которая может контролироваться введением активных компонентов, таких как углеводы [7–11]. В частности, авторы [9] изучали поведение аскорбиновой кислоты в водных растворах в присутствии добавок различной природы (углеводы, полиолы, соли) и пришли к выводу об их влиянии на процессы термодеструкции, в том числе посредством изменения активности воды. В работе [10] исследована стабильность аскорбиновой кислоты в гетерогенных системах на основе пектиновых пленок. С другой стороны, среди продуктов деструкции аскорбиновой кислоты присутствуют потенциально биоактивные компоненты, в частности замещенные α-пироны [12].

Существенное влияние на динамику образования и строение продуктов взаимодействия компонентов пищевых систем оказывает природа растворителя, в связи с чем ряд исследований выполнен в этанольных и смешанных водно-этанольных средах [7, 8, 11]. Нами ранее показано, что продукты совместной карамелизации аскорбиновой кислоты и углеводов, полученные в среде осушенного этанола, сохраняют структурные фрагменты исходных веществ, проявляя антиокислительные свойства [7], тогда как увеличение содержания воды в растворителе (от 4 % и выше) интенсифицирует реакции неферментативного окрашивания, что приводит к образованию полукеталей де-гидроаскорбиновой кислоты [8] в качестве первичных продуктов. Подобные производные, являясь достаточно термодинамически стабильными, тем не менее склонны к реверсии с последующим развитием процессов усложнения структуры посредством конденсации. Описанные процессы ответственны за формирования цветности образующихся продуктов, при этом показано [13], что образование последних в системах углевод – аскорбиновая кислота является достаточно длительным процессом. В связи с чем целью настоящей работы являлось изучение механизмов образования и функционально-группового состава продуктов неферментативного окрашивания, обуславливающих формирование цветности в процессах карамелизации аскорбиновой кислоты и ее смеси с D-глюкозой.

Объекты и методы исследований

Целевые процессы были реализованы термостатированием водно-этанольных (40 % EtOH, «Merck») растворов, содержащих эквимолярные количества (0,002 моль) L-аскорбиновой кислоты (Asc) и D-глюкозы (Glc) («ч.д.а.») в колбах с обратным холодильником при 50 °С в течение 90 минут [8]. Растворы выдерживали при 25 °С до стабилизации окраски [6, 13], после чего отбирали пробы, часть которых наносили в виде капли на солевые подложки CaF2, которую высушивали струей воздуха до образования равномерной тонкой пленки. Для сравнения аналогичным образом проводили деструкцию L-аскорбиновой кислоты без введения углевода. Колебательные спектры полученных пленок регистрировались на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-2201 (ООО «Инфраспек», СПб, Россия) в интервале волновых чисел 4000–860 см–1 с разрешением 2 см–1 относительно чистых CaF2-подложек. Спектры вторых производных получены в результате численного дифференцирования с использованием сглаживания полиномом 4-го порядка в окнах до 15 точек, отнесение проводили по экстремумам выше нулевой линии, интенсивности сигналов оценивали по разности амплитуд соседних экстремумов. Итоговые спектры обрабатывались в программе FSpec 4.3.0.9. Дополнительно отобранные пробы (1 мл) разбавляли растворителем в соотношении 1:5 и регистрировали электронные спектры растворов на спектро- фотометре СФ-2000 (ОКБ «Спектр», СПб, Россия) в кварцевых кюветах (l = 1 см) в интервале длин волн 200–500 нм с шагом 5 нм. Для расчета индексов окрашивания регистрировались спектры без разбавления в интервале длин волн 450–750 нм, расчет проводился по формулам [1]. Спектры обрабатывались в программе Excel.

Результаты и их обсуждение

Визуальная сравнительная оценка интенсивности окраски карамелизованных систем (рис. 1) показывает более насыщенный цвет растворов двойной системы.

Рис. 1. Водно-этанольные растворы карамелизованных систем: Asc + Glc (слева) и Asc (справа)

Электронные спектры реакционных систем представлены на рис. 2.

Анализ спектральных профилей показывает наличие полос 295 нм, относимых к поглощению производных дегидроаскорбиновой кислоты, его уширение в спектре 2 может свидетельствовать о присутствии фрагментов полимеризованных углеводов [14]; кроме того, спектр 2 дополнительно содержит слабо-выраженный пик при 245 нм, обусловленный π–π*-переходом электронов С=С-фрагментов [8]. Поглощение при 420 нм, характеризующее степень протекания неферментативного окрашивания, для обеих систем регистрируется примерно на одном уровне значений оптической плотности.

Математическая обработка электронных спектров в области 450–750 нм позволяет количественно оценить параметры цветности по значениям индексов окрашивания (см. таблицу), первый из которых – “ColorIndex” (CIEBCunit) характеризует общую глубину окраски, два других – “RedIndex”, “YellowIndex” (RI, YI) – красную и желтую составляющие цветности соответственно.

Анализ данных таблицы показывает близкие значения частных индексов RI и YI, показатель общей интенсивности окраски существенно выше для двойной системы, что

Рис. 2. Электронные спектры водно-этанольных растворов: 1 – Asc; 2 – Asc + Glc

Индексы окрашивания исследуемых систем

Система CI(EBC unit) = 20000∙A610/0.076 RI = 10lg(A510/A610) YI = 10lg(A460/A610) Asc 11771 10,144 16,120 Asc + Glc 15689 10,017 16,623 свидетельствует о формировании более протяженной и стабильной хромофорной системы в данном случае.

Более детальная информация может быть получена из анализа колебательных спектров (рис. 3). Спектры конденсированных фаз реакционных систем содержат характеристические полосы колебаний в области кратных связей, в частности 1638, 1642 и 1733, 1728 см^–1. Сигналы 1730 (±3) см^–1 в изучаемых системах можно отнести к колебаниям ν С=О , тогда как полосы 1640 (±2) см^–1 характеризуют наличие в составе продуктов сопряженных С=С-фрагментов (ν С=С ). В спектре 2 наблюдается также слабое поглощение в области 2650–2550 см^–1, относимое к колебаниям водородно-связанных карбоксильных групп. При этом полосы ν С=О и ν С=С , характерные для аскорбиновой кислоты (1755 и 1672 см^–1 [15]), в спектрах не регистрируются, что указывает на трансформацию ее хромофорных фрагментов в ходе процессов.

Сигналы в области «фингерпринта» в обоих спектрах могут быть отнесены к колебаниям углеродных цепей и σ-функций, в частности 1370 (δ CH2 ), 1215, 1078 (ν СО , δ С–ОН+С–ОС ), 1034 (ν ring +ν С–ОН ) см^–1, в спектре 2

дополнительно регистрируются несколько полос в интервале 1150–1050 см^–1, относимых, вероятно, к скелетным колебаниям фрагментов D -глюкозы (ν СС , ν СО , δ СО , ν ССН ), представленным в структуре в незначительном количестве [7].

Дальнейшая детализация природы обуславливающих цветность непредельных функций возможна посредством анализа производных ИК-Фурье спектров в области кратных связей (рис. 4). В спектре 1 регистрируются четыре сигнала приблизительно равной интенсивности: 1620 (ν С=С ), 1645 (ν О=С–С=С ), 1703 (ν С=О ), 1720 (ν С=О ) см^–1, несколько менее интенсивны сигналы 1654 и 1685 см^–1, относимые к валентным колебаниям карбонильной группы в О=С–С(OH)=С-фрагментах [12; 16], тогда как в спектре 2 наиболее интенсивной является именно полоса 1654 см^–1, отмеченные выше сигналы также проявляются достаточно существенно.

Можно предположить, что формирование цветности связано с включением α-гидрокси-α,β-еноновых фрагментов в структуру продуктов карамелизации [17], формирование которых в изученных системах может быть представлено следующим образом:

Рис. 3. ИК-Фурье спектры реакционных систем: 1– Asc; 2 – Asc + Glc

O

OH

OO

Полукетали (1), образующиеся на начальных стадиях протекания процессов (термостатирование при 50 °С) [8], при дальнейшем их развитии претерпевают рециклизацию с последующей гидратацией, продукт которой находится в равновесии с лактоном (2) [6], дегидратация которого формирует производное (3) с а-гидрокси-а,в-еноновым фрагментом в структуре [4]. В случае Asc-системы (R= OH) образуется 2,3,6-тригидрокси-4-оксо-2-гексен-5-олид, тогда как для двойной системы (R - остаток трансформированного углевода, включающий изолированные и сопряженные С=О и С=С-связи [8]) хромофорная составляющая лактона (3) обладает большей протяженностью, что подтверждается более высоким поглощением в области 300– 350 нм (см. рис. 1). Кроме того, замена в структуре (3) ОН на R, вероятно, в значительной степени повышает ее устойчивость и, как следствие, стабильность достаточно интен- сивной окраски системы Asc + Glc [4].

Относительно других продуктов можно предположить образование 3-гидрокси-2-пиронов при трансформации аскорбиновой кислоты (полосы 1685 см-1), изолированные (полосы 1620, 1720 см-1) и сопряженные (1645, 1703 см-1) С=С и С=О функции являются фрагментами трансформированного углевода. При этом интенсивных сигналов в области 1500-1600 см-1 не наблюдается (см. рис. 3, 4), что указывает на отсутствие в структуре продуктов карамелизации ароматических фрагментов, формирующихся обычно при глубокой кислотной деструкции углеводов.

Изученные механизмы формирования цветности имеют практическое приложение в технологии производства напитков. Соотношение исходных компонентов в реакционной системе влияет на пропорции их фрагментов в конечной структуре формирующих цветность веществ. Последнее, в свою очередь, опреде-

Рис. 4. Вторые производные ИК-Фурье спектров реакционных систем: 1– Asc; 2 – Asc + Glc

ляет строение и протяженность их хромофорных систем, и, как следствие, чистоту и яркость окраски растворов, что в настоящее время исследуется нами в рамках научной тематики по разработке рецептур коньячных колеров.

Заключение

На основании результатов исследования установлен функционально-групповой состав продуктов карамелизации в системах L-аскорбиновая кислота и L-аскорбиновая кислота – D-глюкоза в водно-этанольной (40 % EtOH) среде. Показано, что образующиеся в обеих системах на ранних стадиях полукетали L-гулоно-γ-лактонов со временем претерпевают гидратационную рециклизацию с последующей дегидратацией и образованием 2,3,5-замещенных 4-оксо-δ-лактонов, содержащих гидрокси-α,β-еноновые фрагменты. В случае двойной системы Asc + Glc последние стаби- лизируются замещением в положении 2 фрагментом трансформированного углевода, что повышает устойчивость хромофорной системы и интенсивность окраски раствора, что подтверждается расчетом индексов окрашивания. Продукты более глубокой деструкции (поглощение 400–420 нм), представляющие собой, вероятно, ациклические полисопряжен-ные системы, образуются в меньшем количестве. Дальнейшее изучение свойств карамельных составов на основе аскорбиновой кислоты (светостойкости, токсичности, антиокисли-тельных свойств) позволит разработать доступные и экологичные полифункциональные пигменты для промышленного применения.