Использование капсулированных ингредиентов в разработке пищевых продуктов с высокой биологической ценностью: систематический обзор

Современное состояние науки и технологии в сфере материаловедения характеризуется активным поиском новых материалов и технологий их получения. Одним из конкурентоспособных и энергосберегающих направлений современного материаловедения является использование в качестве сырья возобновляемых природных материалов.

В частности, актуальным и всё более часто используемым является процесс капсулирования материалов материалов – нанесение тонких полимерных оболочек на твердые дисперсные материалы с размером частиц от десятков микрометров до нескольких миллиметров. Число дисперсных продуктов, для которых требуется капсулированная форма, постоянно увеличивается, поэтому создание надежных методик управления этим технологическим процессом весьма актуально [1, 2].

В пищевой промышленности применение технологии капсулирования обусловлено множеством причин. Данный способ является эффективным инструментом доставки биологически активных молекул (антиоксидантов, минералов, витаминов, фитостеринов, полиненасыщенных жирных кислот и т. д.) в продукты питания [11].

Вещество, которое капсулируют, называется активным веществом, или основным продуктом, или внутренней фазой. Материал, в который заключают основной продукт, называют оболочкой, мембраной, стенкой, внешней фазой или матрицей. Ферран Адриа, шеф-повар ресторана El Bulli, предложил использовать технологии капсулирования в общественном питании, базируясь на способности растворов альгинатов образовывать гели при добавлении к ним ионов Ca2+. В гастрономических кругах данный метод получил термин «сферификация» [3]. В качестве источника ионов Ca2+ используют соли – хлорид, лактат, либо глюконолактат кальция. Техника сферификации позволяет получать капсулированные продукты из текучих или вязких веществ, суспензий, дисперсий, эмульсий, обратных эмульсий, коллоидных растворов в виде бесшовных наполненных капсул диаметром от 1,0 до 10,0 мм, путем заключения жидкости в тонкую гелевую оболочку. Полученная таким способом продукция имеет текстуру и внешний вид натуральной икры рыб, и при этом обладает различными ароматом и вкусом. Введение капсулируемой смеси осуществляется путем осевой капельной подачи в раствор, содержащий ионы кальция, где происходит мгновенное образование сферической оболочки вокруг капли капсулируемого вещества. Основной проблемой этого метода является то, что, увеличение толщины стенки продолжается, даже после промывки капсул водой, благодаря ионам кальция оставшимся в материале стенки. Это означает, что продукт необходимо готовить непосредственно перед подачей к столу, поскольку со временем капсулы превращаются в компактный шарик геля без жидкости внутри.

Модификацией метода сферификации является «обратная сферификация» когда ионы кальция находятся в инкапсулируемой жидкости. Раствор, содержащий наполнитель и ионы кальция, вводят каплями в раствор альгината натрия. Как и в методе с сферификациеии, альгинат натрия взаимодействует с ионами кальция, однако диффузии ионов внутрь капсулируемого раствора не происходит, что позволяет капсулы с жидким содержимым [3, 4].

В настоящее время для описания процесса капсулирования используют как эмпирические, так и феноменологические математические модели. Эмпирические модели могут включать до 15 параметров, при этом математический аппарат часто рассматривается как «черный ящик». Среди феноменологических моделей можно выделить модели, прогнозирующие возникновение агломерации, распределение частиц по массе нанесенного покрытия, рассматривающие закономерности движения частиц в аппарате, сушку защитного покрытия. Ведется создание математических моделей и методик расчета процесса капсулирования в аппаратах с псевдоожиженным слоем, а также гранулированию и модифицированию минеральных удобрений (В.Н. Кисельников, Л.Н. Овчинников, В.А. Круглов, А.Г. Липин, А.Г. Бердников, В.О. Небукин, 2019) [1]. Однако исследования в этом направлении не завершены.

В настоящее время важным является включение капсулированных биологически активных веществ для использования в виде пищевых добавок в рецептуры в процессе изготовления пищевых продуктов с высокой биологической ценностью. Вопросы, поднимаемые в ходе проведения данного систематического обзора, являются важными для пищевой промышленности. Основной акцент сделан на представленные в литературе возможные пути получения капсулированных БАВ, снижения затрат на производство, концепцию контролируемого высвобождения биоактивного соединения в пищу, широкое внедрение новых методов капсулиро-вания, поиск новых продуктов, которые можно будет использовать в капсулировании и вопросы, связанные со стандартизацией свойств капсулированных продуктов.

Материалы и методы

На первом этапе проведенного систематического исследования в базе данных Web of Science Core Collection, были отобраны статьи, по ключевым словам: capsulation, «encapsulation», «vitamins», технологииtechnology, molecular gastronomy, food product.

На втором этапе были проанализированы аннотации статей на предмет наличия информации о применении капсулирования в пищевой промышленности, влиянии получаемых продуктов на организм животных и человека в частности, о различных способах капсуляции.

На третьем этапе, проанализировав тексты отобранных статей, был проведен отбор статей, несущих информацию о капсуляции различных биологически значимых элементов из продуктов растительного и животного происхождения и статей с новыми методами капсулирования.

Поиск был ограничен временным периодом с 2010 до 2022 года, также был задан минимальный порог цитирования – 5. В центре внимания были статьи, опубликованные в научных журналах, для обеспечения объективности данных [6].

В результате обзора показано, что в настоящее время о получении и использовании капсулированных ингредиентов в пищевых продуктах имеется достаточно много сообщений [7, 8, 14]. Это микрокапсулы жиров, душистых и ароматических веществ, имитирующих запах лимона, масла перечной мяты, ментола, компонентов плодов, пряностей, приправ, пищевых добавок, экстракта черносмородинного сока, усваиваемое железо, эфирное масло, кондитерские добавки [10–13]. Известно применение микрокапсулированных добавок в хлебобулочных и кондитерских изделиях (данные British Nutrition Foundation) [2]. Несколько коммерческих продуктов на основе инкапсулированных пробиотиков и ароматических веществ предлагает японская компания Jintan Capsule Technology [2]. Используется ряд добавок фирмой Ud-chemie [2]. Среди них лимонная кислота в микрокапсулиро-ваном виде, используемая в качестве усилителя цвета мяса и колбас, а также подкислителя при производстве мороженного. Капсулированная яблочная кислота на жевательном мармеладе удерживает кислый вкус. Капсулированнные формы куркумы и антоцианов обозначены в разделе инноваций фирмы WILD Flavors Inc (США) [1, 2, 3]. Имеются сведения о выпуске продуктов детского питания, содержащих витамины и микроэлементы (Galam Packaging Ltd), микрокапсулированных пробиотиков (бифидо и лактобактерий) и солей минералов (ООО «Арт-лайф») [1 – 4].

В промышленном масштабе внедрение капсулированных компонентов весьма ограничено, а успехи в создании промышленных технологий невелики [9]. Однако, полученные результаты оправдывают затраты. Так, введение в смеси детского питания капсулированных форм йода, железа, витаминов А и С, позволило улучшить биологические свойства готовой продукции. Увеличить биодоступность (по железу с 4 до 70%), уменьшить потери при хранении (по витамину А с 50 до 15%) и, соответственно, повысить эффективность продукции [2].

Капсуляция является распространенным подходом к улучшению бактериальной выживаемости пробиотиков. В исследовании [15] два новых низкометоксильных пектина использовались в качестве материалов для покрытия для получения микрокапсул для инкапсуляции Lactobacillus acidophilus , Lactobacillus casei и Lactobacillus rhamnosus . Показано, что капсуляция не влияет на способность лактобацилл к ферментации.

В работе [16] изучались характеристики, техно-функциональные свойства и эффективность капсуляции самособирающихся наноструктур бета-лактоглобулина. Молочная сыворотка является побочным продуктом сыроделия с высоким содержанием белка, используемым в пищевой промышленности благодаря своим техникофункциональным свойствам и пищевой ценности. Была подтверждена большая способность наноструктуры бета-лактоглобулина инкапсулировать гидрофобные молекулы.

Работу с морскими водорослями также проводили Kaushalya и Gunathilake [17]. Была рассмотрена капсуляция флоротанинов из съедобных бурых водорослей в хитозан, а также: биологическая активность и стабильность функциональных пищевых продуктов. Флоротаннины представляют собой семейство проверенных терапевтических средств, однако низкая стабильность препятствует полноценному проявлению их биологической активности в организме человека. Показано, что хранение при температурах -18 °C и 4 °C сохраняло в три раза больше как инкапсулированных, так и неинкапсулированных флоротаннинов, чем хранение при условиях окружающей среды.

Новые подходы к совместной инкапсуляции пробиотических бактерий с биоактивными соединениями, их польза для здоровья и разработка продуктов функционального питания рассмотрели Misra, Pandey и Hari и Mishra [18]. Показано, что совместное капсулирование биоактивных соединений и пробиотических бактерий в одном продукте обеспечивает синергетическую пользу для здоровья и повышает биологическую активность отдельных компонентов, тем самым улучшая взаимодействие пробиотических бактерий со стенкой кишечника во время пищеварения. Этот процесс имеет преимущества по удобству и стоимости по сравнению с капсулированием отдельных ингредиентов. Процесс совместной капсуляции также улучшает срок хранения пищевых продуктов с долгосрочной стабилизацией пробиотических бактерий и биоактивных соединений. В будущем необходимо исследовать механизм высвобождения этих ингредиентов в модельной системе животных, а также включить микрокапсулы в состав экономичных функциональных пищевых продуктов.

Растет интерес к капсуляции в полимерные композиции нескольких макромолекул для

Изготовление рН-чувствительных частиц для капсуляции и высвобождения фукоксантина в толстой кишке разработали в работе [20]. Повышение стабильности фукоксантина в желудочнокишечном тракте является важным подходом к повышению его пероральной биодоступности. Предложено новое устройство, позволяющее получать частицы с одинаковым размером, продемонстрирована перспективность использования микрофлюидного подхода для изготовления системы.

Затронута важная тема превращения отходов окары в богатые питательными веществами полисахаридные / белковые экстракты для совместной капсуляции бета-каротина и сульфата железа. Окара – побочный продукт переработки соевых бобов, подходящий для вторичной переработки в сырье для капсулирования микроэлементов. Недостаточность питательных микроэлементов, особенно в развивающихся странах, является серьезной проблемой общественного здравоохранения. Экстракты окары были получены с помощью процесса экстракции и впоследствии были использованы в качестве инкапсулирующего материала для микронутриентов бета-каротина и капсуляции сульфата железа с использованием зеина в качестве наполнителя. Распылительная сушка использовалась для производства частиц с различным составом, которые оценивались по профилям высвобождения, сроку годности, антиоксидантной активности бета-каротина и клеточной цитотоксичности. Продукт с оптимизированным составом продемонстрировал последовательное высвобождение сульфата железа бета-каротина в моделируемой желудочной жидкости. Профиль последовательного высвобождения способствует усвоению обоих питательных микроэлементов и потенциально может повысить их биодоступность [21].

Ресвератрол, хорошо известное биологически активное соединение, капсулировали для применения в майонезе [22]. Оценивали физикохимические показатели, микроструктуру, физическую стабильность, антиоксидантную активность, эффективность капсуляции. Результаты показали, что капсулированная форма расвератрола способна поддерживать антиоксидантные свойства в майонезе в течение срока годности и может использоваться в продуктах с высоким содержанием жира для снижения окисления и улучшения их питательных свойств.

Обогащение альгинатной матрицы, используемой для капсулирования пробиотиков концентратом сывороточного белка или его гидролизатом, полученным из трипсина и влияние на антиоксидантную способность и стабильность ферментированных напитков на основе сыворотки рассмотрели сербские ученые Kruni и Rakin [10], занимающиеся созданием функционального питания на основе молочной сыворотки. Белки и пептиды в матрице для капсуляции способствуют механических свойств гранул, ферментативной активности, толерантности к кислотам и желчи, а также выживанию пробиотиков во время имитации желудочно-кишечного тракта. Используя технологию капсулирования создан натуральный и неотличимый по вкусу аналог красной икры. В спецкапсулу поместили рыбий жир, извлекаемые из морских водорослей полисахариды и бета-каротин. В итоге получившийся продукт максимально приближен к натуральному аналогу не только по вкусу, но и по составу.

Также, капсулированные соки и джемы были добавлены в творожки. Разработанные капсулы при употреблении лопаются во рту, создавая оригинальный вкусовой эффект. Утверждается, что значительный научный и практический интерес представляет создание аналогов деликатесных продуктов, которые по своей структуре имеет форму капсулы с термостойкой оболочкой. В этих условиях перспективным является использование в качестве капсулообразователя альгината натрия, способного к ионотропному гелеобразованию.

Заключение

В результате проведенных исследований по анализу публикаций, предстваленных в базе данных Web of Science Core Collection и посвященных капсулированию биологически активных веществ для использования их в пищевых технологиях, можно свидетельствовать об актуальности и перспективе развития науки и технологий в области капсулирования.

Капсулированные продукты нашли применение в фармацевтической и косметической промышленности, и на сегодняшний день капсу-лирование набирает популярность в развитии пищевой промышленности. И несмотря на то, что по этой теме были проведены многочисленные исследования, по-прежнему множество вопросов, касающихся прежде всего физико-химических основ гетерогенного формирования микрокапсул, остаются не закрытыми и требуется дальнейшие исследования остаются не закрытыми и требуется дальнейшие исследования.