Иновационная безотходная технология быстрозамороженнного пюре из ягод клюквы повышенной биологической ценности

В настоящее время во всех странах мира пользуются популярностью функциональные оздоровительные продукты питания, направленные на повышение иммунитета и укрепление здоровья населения. Такие уникальные продукты в своем составе содержат незаменимые биологически активные вещества (БАВ): витамины, минеральные вещества, фенольные, пектиновые, дубильные вещества, полифенолы и др.

Особое место среди растительного сырья, содержащего значительное количество БАВ, занимают ягоды, к которым относится клюква. Эта ягода представляет собой сбалансированный комплекс биологически активных веществ - витамина С 45...70 мг/100 г, фенольных соединений - 1,2_1,3%, антоцианов 0,7...0,9%, дубильных веществ - 0,3... 0,6%, пектиновых веществ - 1,4...1,8%. Высокое содержание фенольных соединений и антиоксидантные свойства клюквы делают ее похожей по своим свойствам на вино, а количество пектина, который содержится в ягодах, способен легко выводить радионуклиды и ионы тяжелых металлов из организма человека [2].

С каждым годом ассортимент продуктов из клюквы расширяется, особенно это становится очевидным в пищевой промышленности развитых странах ближнего и дальнего зарубежья. Зарубежные источники насчитывают около 1000 разных видов продуктов с использованием ягод клюквы. В кондитерской промышленности используют клюкву для производства рулетов, пряников в качестве начинок. Очень популярна клюква в сахарной, шоколадной глазури, клюква протертая с сахаром. В ликероводочной промышленности клюква является сырьем для изготовления ликеров, настоек, водки, в фармацевтической промышленности из клюквы делают биологически активные добавки (БАД). В консервной промышленности выпускаются такие продукты из клюквы как: джемы, варенья, конфитюры, желе, щербеты, сорбеты, муссы, морсы и многое другое.

Недостатком традиционных технологий переработки ягод является то, что производителями используются технологии с жесткими режимами, при которых количество БАВ теряется от 20 до 80%. Это происходит по причине отсутствия эффективного оборудования и современных технологий, позволяющих получить качественные функциональные продукты с высоким содержанием натуральных витаминов, красящих веществ и других БАВ [1,2].

Объекты и методы исследования

В настоящее время одним из наиболее прогрессивных способов переработки и консервирования растительного сырья в международной практике является «шоковое» замораживание и низкотемпературное измельчение. Низкие температуры обеспечивают наиболее полную сохранность витаминов и других БАВ. Из существующих хладагентов, оптимально подходящих для замораживания, является жидкий азот, достоинствами которого является низкая температура кипения, химическая и биологическая инертность. Жидкий и газообразный азот для замораживания пищевых продуктов применяется в различных странах мира, преимущественно в США, Германии, Швеции, Норвегии, Финляндии и др. Мировая статистика свидетельствует о том, что жидкий азот применяется ведущими фирмами достаточно широко при транспортировке, хранении и переработке сельскохозяйственных продуктов. Появился целый ряд азотных технологий в пищевой промышленности. Но без глубоких знаний биохимических, микробиологических и химических процессов, изменений БАВ, биополимеров, действия ферментов, которые происходят в растительном сырье при криогенном замораживании, невозможно достичь высокой эффективности использования жидкого азота.

В Украине применение жидкого азота при замораживании пищевых продуктов находится на стадии экспериментальных разработок. Поэтому разработка научных основ криогенных технологий получения замороженных ягод и мелкодисперсного замороженного пюре является актуальной задачей.

В настоящей работе исследования были проведены в лаборатории «Инновационных нано- и криотехнологий растительных добавок и оздоровительных продуктов» кафедры технологий переработки плодов, овощей и молока Харьковского государственного университета питания и торговли с использованием современного оборудования и компьютерного обеспечения. На стадиях переработки ягод использовали жидкий и газообразный азот, ягоды перерабатывали вместе с кожицей и семенами, сохраняя безотходность производства. В работе использовались современные методы исследования: общепринятые и специальные физико-химические, химические, математические методы обработки экспери- ментальных данных с использованием компьютерных технологий.

Целью исследований является изучение закономерностей и механизмов влияния замораживания и низкотемпературного измельчения на БАВ, биополимеры ягод клюквы при разработке научно-обоснованной технологии замороженного пюре, которое бы отличалось повышенной биологической ценностью по сравнению с аналогами.

Главной задачей в данной работе было не только сохранение, но и более полное извлечение фенольных соединений, красящих веществ фенольной природы – антоцианов и L-аскорбиновой кислоты, полифенолов – дубильных веществ из свежего сырья.

Комплексными исследованиями впервые показано, что чем выше скорость замораживания до более низких температур (по сравнению с традиционными режимами замораживания) до минус 35...40°С продукта, тем лучше сохраняется качество ягод (рис. 1)

s J

4 о

s

s

4 о « s R

s

R

U

У

в" s s u s s

«

Рисунок 1 - Влияние замораживания и низкотемпературного измельчения на содержание основных БАВ в ягодах клюквы: 1 – свежие ягоды клюквы; 2 – ягоды замороженные при температуре -18° С; 3 – ягоды быстрозамороженные до температуры -35...-40° С; 4 – ягоды быстрозамороженные и тонкоизмельченные

Полученные данные свидетельствуют о том, что после быстрого замораживания и низкотемпературного измельчения идет увеличение высвобождения из связанного состояния биологически активных веществ: витамина С в 2,1..2,2 раза, фенольных соединений в 1,8…1,9 раза, антоциановых

Поглощение, % веществ в 1,3…1,6 раза, дубильных веществ в 1,5…1,7 раза.

Повышенное извлечение антоцианово-фенольного комплекса и других БАВ из клюквы при быстром замораживании и мелкодисперсном измельчении было подтверждено на молекулярном уровне при изучении ИК-спектров (рис 2.)

Рисунок 2 - ИК-спектры ягод клюквы свежих, замороженных и измельченных: 1 – ягоды клюквы свежие; 2 – ягоды клюквы замороженные; 3 – ягоды клюквы быстрозамороженные и тонкоизмельченные

Показано, что ИК-спектры гомогенных замороженных пюре из ягод клюквы имеют более деструктурированный вид по сравнению со свежими ягодами. При мелкодисперсном измельчении замороженных ягод происходит значительное уменьшение количества водородных связей, а также уменьшение количества ОН- групп (в области частот при ν = 3610…3645 см-1, ν = 3450…3600 см-1, ν = 3200…3550 см-1, ν = 3590…3650 см-1, ν = 3200…3400 см-1), что свидетельствует о высвобождении низкомолекулярных БАВ и красящих веществ из связанного с биополимерами состояния. Кроме того, наблюдается увеличение интенсивности спектров в области частот ν = 2900…2000 см-1, ν = 1700…1100 см-1, характерных для валентних коливань -CH3, -NH2, CO-, а также ненасыщенных двойных связей. Это свидетельствует об увеличении после быстрого замораживания и низкотемпературного измельчения низкомолекулярных БАВ (витаминов, фенольных соединений) из связанного с биополимерами состояния в свободное, а также трансформацию биополимеров (пектиновых веществ, целлюлозы, белка). Полученные методом ИК-спектроско-пии данные свидетельствуют об увеличении массовой доли фенольных соединений, антоциановых красящих веществ, ненасыщенных веществ после замораживания и механического воздействия, которые подтвердили данные, полученные химическими методами исследований.

Известно, что при переработке ягод большая часть БАВ разрушается из-за действия окислительных ферментов. В данной работе показано, что замораживание ягод до температуры -18°С приводит к потере БАВ ягод клюквы на 20…40%. Это связано с тем, что часть окислительных ферментов при замораживании с такими режимами не инактивируется. Установлено, что при медленных скоростях замораживания до температуры -18°С активность ферментов (пероксидазы и полифенолоксидазы) после размораживания увеличивается на 49…50%, а при получении пюре из таких ягод на 350…410% по сравнению с исходными ягодами. В результате шокового замораживания до температуры -35°С активность ферментов снижается до 0,1%, а в криопюре из плодов «шокового» замораживания пероксидаза и полифенолоксидаза полностью инактивируются (табл.1).

Таблица 1 - Влияние «шокового» замораживания и низкотемпературного измельчения на активность окислительных ферментов при переработке ягод клюквы

Продукт	Активность пероксидазы		Активность полифенолоксидазы
	мл. 0,001N йода к СВ	% к исходному	мл. 0,001N йода к СВ	% к исходному
Свежие ягоды клюквы	149,3	100,0	74,6	100,0
Замороженные ягоды до -18°С	223,5	149,3	111,9	150,0
Криопюре      из      ягод, замороженных до -18°С	521,5	350,2	305,9	410,0
«Шоковое»    замораживание плодов до -35°С	0	0	1,2	0,1
Криопюре     из     плодов «шокового» замораживания	0	0	0	0

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что при медленной скорости замораживания и последующем низкотемпературном измельчении происходит существенная потеря природных БАВ ягод клюквы и ухудшение качества готовых пюре. При «шоковом» замораживании и последующем низкотемпературном измельчении окислительные ферменты инактивируются, а также не наблюдаются потери клеточного сока в отличие от традиционного замораживания.

Установлено также, что при замораживании и измельчении (то есть использовании процессов криомеханодеструкции) ягод клюквы наблюдается существенная деградация и деструкция биополимеров – пектиновых веществ, целю-лозы и белка. Показано, что при криогенном замораживании и низкотемпературном измельчении увеличивается общее количество пектиновых веществ в 3,0…4,6 раза, а количество протопектина в 5,5…6 раз (рис.3).

Рисунок 3 - Влияние замораживания и низкотемпературного мелкодисперсного измельчения на трансформацию пектиновых веществ клюквы, где А – общий пектин; Б – протопектин; В – водорастворимый пектин; 1 – свежие ягоды; 2 – замороженные ягоды; 3 – замороженные и мелкоизмельченные ягоды

Это можно объяснить тем, что в растительной клетке большая часть пектиновых веществ находится в связанном состоянии в комплексе с другими полимерными молеку- лами: арабанами, галактанами и мономерными молекулами углеводов, а также лигнином и белковыми веществами, и при традиционных методах определения пектиновых веществ они полностью не извлекаются. При использовании процессов активирования пектиновых веществ с помощью замораживания и низкотемпературного мелкодисперсного измельчения (процессов криомеханоактивации и криомеханодеструкции) происходит значительная трансформация пектиновых веществ из связанного состояния в свободное за счет неферментативного разрушения водородных и ионных связей в комплексах.

Показано также, что значительная часть протопектина (50...70%) трансформируется в растворимый пектин (его количество увеличивается в 2...4 раза по отношению к исходному растворимому пектину) и галактуроновую кислоту за счет неферментативного разрушения водородных и ионных связей в протопектине. Об этом свидетельствует также и существенное увеличение органических кислот на 25…30%. Известно, что галактуроновая кислота – мономер, из которой состоят пектиновые вещества, относится к органическим кислотам, которые в своей молекуле содержат свободные карбоксильные группы, которые имеют кислую реакцию. Известно, что хорошо растворимые пектины более высокометоксилированы и очевидно повышают степень его этерификации и количество водородных и ионных связей. В связи с этим можно предположить, что увеличиваются и желирующие свойства пюре из ягод, которые обрабатываются путем замораживания и с использованием процессов механоактивации и механодеструкции. Установлено, что параллельно происходит деструкция и деградация целлюлозы, о чем свидетельствует уменьшение ее количества на 8…13%, увеличение общего количества сахаров на 9…12% и увеличение желирующей способности на 25…40%.

Полученные результаты стали основой для разработки новой технологии получения замороженного мелкодисперсного пюре из ягод клюквы повышенной биологической ценности. Инновационная технология получения пюре полностью исключает тепловую обработку и основывается на использовании жидкого, а также газообразного азота в качестве источника низких температур и инертной среды на стадиях переработки ягод. Новая технология витаминного замороженного пюре имеет три основных отличия от традиционных техноло- гий: полностью исключает тепловую обработку продукта; в качестве хладагента применяется жидкий и газообразный азот; а также применяется мелкодисперсное низкотемпературное измельчение.

Заключение и выводы

Таким образом, новая технология позволяет получить наноструктурированный продукт с высоким содержанием природных БАВ, высокой усвояемостью живыми организмами, высокой растворимостью. Замороженные пюре по качеству и содержанию натуральных БАВ в 2-3 раза превосходят свежее сырье и известные аналоги французской фирмы «Ravifruit». Кроме того, новые витаминые пюре из ягод клюквы имеют высокие технологические свойства. Их можно использовать для обогащения различных функциональных пищевых продуктов и в качестве полуфабрикатов при получении из них в дальнейшем соков, соковых напитков, пастообразных наполнителей с использованием пастеризации, вакуумирования, асептического консервирования и др. На замороженное витаминное пюре из клюквы утверждена нормативная документация (ТУ У 10.301566330-284:2013), также проведены производственные испытания на НПП «Криас плюс», НПФ «Фипар», ЗАО «Фитория».