Исследование технологии производства экстрактов чёрного и зелёного чая с антиоксидантной активностью: определение влияния температуры экстракции

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Карпова М.О. и др. Вестник ВГУИТ, 2021, Т. 83, №. 3, С. 74-81 Введение

Чай, традиционный напиток родом из Китая, является самым старым, самым популярным безалкогольным кофеинсодержащим напитком в мире. Его готовят путем варки обработанных листьев чайного растения Camellia sinensis . Чай является вторым, наиболее широко потребляемым напитком в мире после воды [1]. Он содержит до 30% растворимых веществ, которые могут варьироваться в зависимости от сорта, климатических условий, генетического штамма, региона производства, сезона сбора урожая, положения листа, а также операций обработки [2].

Экстракция – это метод отделения определенных компонентов от жидкости или смеси твердых веществ в другой растворитель или фазу. Этот метод применяется, например, для получения природных веществ из растительных материалов, таких как кора дерева, листья, стебли или даже цветы. Растущий спрос на натуральные продукты, наблюдаемый в фармацевтической, косметической и, что наиболее важно, пищевой промышленности, привел к быстрому росту интереса к нетрадиционным методам экстракции как средству повышения эффективности процесса [3]. Экстракция биологически активных веществ из лекарственных растений часто плохо контролируется и зависит от большого числа факторов, таких как температура экстракции, время экстракции, размер частиц сухого растения, а также количество и природа растения, введенного в экстракционный растворитель [4].

Подбор оптимальной температуры экстракции являлось целью работы [5]. На примере пяти образцов белого и зеленого чая из Китая и Малавии было изучено влияние температуры (70 и 90 ° С), а также размера листьев на антиоксидантную активность и сенсорные свойства чая. Пять образцов белого и зеленого чая из Китая и Африки, подвергались экстракции методом настаивания в горячей (70 °C и 90 °C; 7 мин) или холодной воде (комнатная температура: 15, 30, 60 или 120 мин) в виде целых листьев и в виде измельченных. Измерялись такие показатели, как содержание фенолов и флавоноидов, а также антиоксидантная способность (метод ABTS). Результаты показывают, что максимальная эффективность экстракции достигается в холодной воде в течение 120 мин из измельченных листьев.

В исследовании [6] было изучено влияние условий заваривания зеленого чая при 60 и 95 °С в течение 5–300 мин на антиоксидантную активность. Антиоксидантные свойства чайных настоек, которые оценивались по активности поглощения радикалов 2,2 –

В работе [7] определялись оптимальные условия экстрагирования турецкого зеленого чая на основе количества экстрагированных катехинов и сенсорных признаков. Настои зеленого чая изготавливали при 75, 85 и 95 ° С со временем 1; 2; 3; 5; 10; 20; 30 и 45 мин.

Был определен уровень количества эпиструктури-рованных катехинов, неэпиструктурированных катехинов и кофеина в образцах чая. Было установлено, что выход эпиструктурированных катехинов увеличивался в течение первых 3–5 мин варки при 85 °C. Увеличение времени варки приводило к снижению выхода эпиструкту-рированных катехинов, количество неструктурированных катехинов продолжало увеличиваться с увеличением времени экстракции.

Работа китайских учёных [8] была направлена на увеличение биологической активности чайных полифенолов. Для этого исследовали изменение чайных полифенолов с различным рН (3; 4; 5; 6 и 7) при различных температурах (4, 25 и 100 °C). Результаты показали, что чайные полифенолы с рН 3–6 оставались стабильными при 4 и 25 °С. Когда температура нагревания составляла 100 °С, наблюдалось значительное снижение содержания общих катехинов. Чайные полифенолы чувствительны к рН: чем ниже рН, тем стабильнее чайные полифенолы при хранении. Хранение при низких температурах и кислых условиях рН не оказало существенного влияния на характеристики полифенолов чая.

Целью работы [9] является определение влияния различных условий экстракции (температуры, концентрации этанола и соотношения образец / растворитель) на фенольный состав и антиоксидантную способность экстрактов стебля винограда. Исследовали влияние трех параметров процесса (каждый из которых варьируется на разных уровнях) на извлечение фенольных соединений из стеблей винограда. Этими параметрами были концентрация этанола (0; 25; 50; 75 и 100%, об. / об.), соотношение твердое вещество / растворитель (1:50 и 1:100, вес / объем) и температура экстракции (25 °C и 40 °C). Результаты показали, что концентрация этанола в экстракционном растворителе была фактором, который оказал наибольшее влияние на уровень извлечения различных биологически активных соединений. Наибольшее содержание общих фенольных соединений и наибольшая антиоксидантная активность экстрактов стебля винограда были получены с 50% этанолом и при 40 °С.

Таким образом, на основании данных проанализированных литературных источников, можно сделать вывод о решающем влиянии используемой температуры в процессе экстракции растительного сырья на выход антиоксидантных веществ.

Цель работы – подбор оптимальной температуры экстракции для двух видов чая ( Camellia sinensis ), для получения экстрактов с высокими значениями общего содержания фенолов, флавоноидов, антирадикальной активности по методу DPPH, восстанавливающей силы по методу FRAP и танинов.

Материалы и методы

Проводилось исследование на двух видах чая (Camellia sinensis) , для которых в качестве растворителя использовалась вода, т. к. по результатам исследований этот тип растворителя извлекает наибольшее количество антиоксидантных веществ и степенью измельчения 0.5 мм. Таким образом, на испытания было представлено по 3 образца экстрактов с температурой экстракции 40–50 °C, 20–25 °C, температурой кипения растворителя, в которых определяли показатели:

─ Общее содержание фенольных веществ;

─ содержание флавоноидов;

─ Содержание танинов;

─ Антирадикальную активность по методу DPPH;

─ Восстанавливающую силу по методу FRAP.

Получение сырья с необходимой степенью измельчения: чай измельчали в кофемолке, измельченное сырье просеивали через сито с размером 0.5 мм.

Получение экстракта с температурой 40–50 °C: 2 г исследуемого чая переносят в стеклянную колбу с притертой крышкой и заливают 20 мл растворителя (для каждого растворителя 3 колбы). Экстракция чая продолжается 2 ч в термостате при температуре 40–50 °C. Полученный экстракт центрифугируют 15 мин при скорости 5000 об./мин.

Получение экстракта с температурой 20–25 °C: 2 г исследуемого чая переносят в стеклянную колбу с притертой крышкой и заливают 20 мл растворителя (для каждого растворителя 3 колбы). Экстракция чая продолжается 2 ч при температуре 20–25 °C. Полученный экстракт центрифугируют 15 мин при скорости 5000 об./мин.

Получение экстракта с температурой кипения растворителя: 2 г исследуемого чая переносят в стеклянную колбу и заливают 20 мл растворителя (для каждого растворителя 3 колбы).

Экстракция чая продолжается 2 ч в обратном холодильнике при температуре кипения растворителя. Полученный экстракт центрифугируют 15 мин при скорости 5000 об./мин.

Определение общего содержания фенольных веществ в экстрактах чая проводилось на основе методики [10] с актуализацией для экстрактов чая. В экстракт чая на основе выбранного растворителя в количестве 0,25 см3 добавляют воду в количестве 4 см3, 0,25 см3 водного раствора реактива Фолина-Чокалтеу (в соотношении 1:1), 0,25 см3 раствора насыщенного карбоната натрия. Полученную смесь оставляют на 30 мин, оптическую плотность проб измеряют на спектрофотометре (КФК-3–01 «3ОМЗ») при длине волны 725 нм. По полученным значениям оптической плотности, используя калибровочную кривую, находят значения общего содержания фенольных веществ в мг галловой кислоты/100 г. исходного сырья. В качестве стандартного вещества для построения калибровочной кривой использована галловая кислота ХЧ (химически чистая).

Общее содержание флавоноидов в экстрактах чая исследуют фотометрическим методом. Измерения оптической плотности раствора на спектрофотометре проводят при длине световой волны 510 нм. Для обработки результатов измерений в качестве исходной методики была взята [11] с изменениями для экстрактов чая. В исследуемый экстракт чая объёмом 0,5 см3 добавляют 2,5 см3 дистиллированной воды, затем 0,15 см3 раствора нитрита натрия с концентрацией 5%, экспозиция 5 мин, прибавляют 0,3 см3 10%-го раствора хлорида алюминия, оставляют на 5 мин. Результаты общего содержания флавоноидов определяют по калибровочной кривой и выражают в мг катехина / 100 г. исходного сырья. В качестве стандартного вещества для построения калибровочной кривой использован катехин.

Определение общего содержания танинов проводилось на основе методики [12] приготовления реагента ванилина: навеску ванилина растворяли в 4%-ой соляной кислоте (0,5 г на 1 мл соответственно). Смешивают 1 мл экстракта чая и 5 мл раствора ванилина. Образцы и контроль (без ванилина) оставляют на 20 мин в темном месте, а затем измеряют оптическую плотность при длине волны 500 нм. Результаты общего содержания танинов определяют по калибровочной кривой и выражают в мг катехина/ 100 г. исходного сырья.

Определение антирадикальной активности по методу DPPH экстрактов чая в изучаемых растворителях проводилось с использованием раствора 2,2–дифенил-1-пикрилгидразила (DPPH)

в этаноле, имеющего насыщенную пурпурносинюю окраску. Методика [13] была взята за базу и доработана для экстрактов чая. Из экстрактов на основе каждого типа растворителя для каждого образца чая приготавливают растворы различной концентрации, из которых наливают в пробирку 0,2 см³, добавляют 2 см³ дистиллированной воды, 2 см³ раствора DPPH. Готовые растворы оставляют в затемненном месте на 30 мин. На спектрофотометре измеряется оптическая плотность полученных растворов при длине световой волны 517 нм. Определение антирадикальной активности по методу DPPH ведется по показателю Ес 50 , как концентрации экстракта чая, необходимой для поглощения 50% свободных радикалов DPPH.

В качестве исходной методики для определения восстанавливающей силы по методу FRAP используют метод [14] с модификацией для экстрактов чая. Смешивают в пробирке 0,1 см3 экстракта чая, 3 см3 дистиллированной воды, 1 см3 раствора реагента FRAP и выдерживают 4 мин в термостате при температуре 37 °C. Измерение оптической плотности полученного раствора измеряют на спектрофотометре при длине световой волны 593 нм. Результаты восстанавливающей силы по методу FRAP рассчитывают по калибровочному графику в ммоль Fе2+/1 кг исходного сырья. В качестве стандартного вещества для построения калибровочной кривой использован сульфат железа.

Результаты и обсуждения

Фенольные соединения обладают многими видами биологической активности, включая биохимические, такие как антимутагенные, антиоксидантные и антиканцерогенные, в дополнение к способности изменять экспрессию генов. Фенольные соединения широко распространены в растениях, которые в совокупности синтезируют несколько тысяч различных химических структур, характеризующихся гидроксилированным ароматическим кольцом (кольцами). Эти соединения играют несколько важных функций в растениях. Они представляют собой яркий пример метаболической пластичности, позволяющей растениям приспосабливаться к изменяющимся биотическим и абиотическим условиям, и дают растительным продуктам цвет, вкус, технологические свойства и предполагаемую пользу для здоровья [15].

Результаты испытаний определения общего содержания фенольных веществ в экстрактах двух видов чая (Camellia sinensis) , с различной температурой экстракции представлены на рисунке 1.

Чай чёрный             Чай зелёный

Black tea                   Green tea

20-25°С 40-50°С t кип.

Рисунок 1.  Результаты  исследования общего содержания  фенольных  веществ в различных экстрактах чёрного и зелёного чая со степенью измельчения 0.5 мм и температурой экстракции 20–25 °C, 40–50 °C и температурой кипения растворителя Figure 1. Results of a study of the total content of phenolic substances in various extracts of black and green tea with a grinding degree of 0.5 mm and an extraction temperature of 20–25° C, 40–50° C and a boiling point of the solvent

Таким образом, максимальное количество фенольных веществ из чёрного чая экстрагируется при температуре экстракции равной температуре кипения растворителя, для зелёного при температуре - 40-50 ° С.

Флавоноиды, класс  полифенольных соединений, которые в большом количестве содержатся в пищевых продуктах и напитках растительного происхождения, таких как фрукты, овощи, темный шоколад, чай и красное вино. Флавоноиды подразделяются на шесть основных подклассов в зависимости от их химической структуры: флавонолы, флаван-3-олы, флаваноны, флавоны, антоцианы и изофлавоны. Структурные различия приводят к различиям в метаболизме и биологической активности, что может привести к различным воздействиям на здоровье человека [16]. Флавоноиды проявляют широкий спектр положительных эффектов, таких как сильное антиоксидантное, противовоспалительное и антитромбоцитарное действие. Они могут способствовать профилактике хронических заболеваний, включая нарушения обмена веществ, диабет и сердечно-сосудистые заболевания, из-за их благотворного влияния на липиды крови, кровяное давление, уровень глюкозы в плазме, а также стабилизацию атетосклеротических бляшек. Кроме того, данные эпидемиологических исследований, исследований на животных подтверждают защитные эффекты пищевых продуктов и пищевых добавок, богатых флавоноидами, против некоторых видов рака, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, некоторых вирусных инфекций, катаракты, эректильной дисфункции и воспалительных заболеваний кишечника [17].

Полученные результаты определения общего содержания флавоноидов в экстрактах чёрного и зелёного чая (Camellia sinensis) с тем- пературой экстракции 20–25 °C, 40–50 °C и температурой кипения растворителя представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Результаты исследования общего содержания флавоноидов в различных экстрактах чёрного и зелёного чая со степенью измельчения 0.5 мм и температурой экстракции 20–25 °C, 40– 50 °C и температурой кипения растворителя

Figure 2. Results of a study of the total content of flavonoids in various extracts of black and green tea with a grinding degree of 0.5 mm and an extraction temperature of 20–25 °C, 40–50 °C and a boiling point of the solvent

Таким образом, при температуре экстракции равной температуре кипения растворителя, как из черного, так и из зелёного чая извлекается наибольшее количество флавоноидов.

Термин «танин» обозначает широкий класс соединений, которые могут быть далее классифицированы на гидролизуемые танины или более часто потребляемые конденсированные танины (также известные как проантоциани-дины). Способность танинов осаждать белки связана с вяжущей способностью, а содержание растительных танинов связано с устойчивостью растений к неблагоприятному влиянию насекомых, животных и плесени. Для продуктов богатых танинами, таких как вино и чай, наблюдается воздействие на организм человека и активизации защитных механизмов по борьбе с раком и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Принимая во внимание как потенциальные вредные, так и полезные свойства танинов, существует дихотомия между ограничением потребления танинов лицами с риском развития ЖДА (желе-зодефициитная анемиия) и потенциальной пользой для здоровья, получаемой из богатых танинами диет. [18].

Результаты испытаний определения содержания танинов в экстрактах 2-x видов чая ( Camellia sinensis ) с различной температурой экстракции представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Результаты исследования содержания танинов в различных экстрактах чёрного и зелёного чая со степенью измельчения 0.5 мм и температурой экстракции 20–25 °C, 40–50 °C и температурой кипения растворителя

Figure 3. Results of studying the content of tannins in various extracts of black and green tea with a grinding degree of 0.5 mm and an extraction temperature of 20–25 °C, 40–50 °C and a boiling point of the solvent

Из экстрактов чёрного и зелёного чая при температуре экстракции 40-50 ° С извлекается наибольшее количество танинов.

Свободный радикал – это любая частица, обладающая способностью к независимому существованию, содержащая один или несколько неспаренных электронов, которые реагируют с другой молекулой, принимая или жертвуя электроны. Свободные радикалы в организме человека вызывают повышенный риск сердечнососудистых заболеваний, рака и других хронических заболеваний [19]. Свободные радикалы являются одной из причин, которые могут вызвать преждевременное старение и дегенеративные заболевания. Чтобы преодолеть эту проблему, организму необходим прием антиоксидантов [20].

Результаты исследования антирадикальной активности в экстрактах чёрного и зелёного чая ( Camellia sinensis ) с температурой экстракции 20–25 °C, 40–50 °C и температурой кипения растворителя представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Результаты исследования антирадикальной активности по методу DPPH в различных экстрактах чёрного и зелёного чая со степенью измельчения 0.5 мм и температурой экстракции 20–25 °C, 40–50 °C и температурой кипения растворителя

Figure 4. Results of the study of antiradical activity by the DPPH method in various extracts of black and green tea with a grinding degree of 0.5 mm and an extraction temperature of 20–25° C, 40–50° C and a boiling point of the solvent

Для получения минимальных показателей по улавливанию свободного радикала 2,2 – дифенил-1-пикрилгидразила у экстрактов чёрного и зелёного чая лучше всего подойдет температура экстракции 40–50 °C.

Окислительно-восстановительное состояние основных переходных металлов, таких как Fe (II / III), делает их биологически важными, а также токсичными в процессе окислительного стресса. Железо (Fe) в организме здорового человека присутствует в основном в гемоглобине. Оно служит важным кофактором для множества ферментов, сигнальных молекул и регулирует различные биологические пути, включая выработку митохондриальной энергии, репликацию / транскрипцию ДНК и синтез нейротрансмиттеров. В присутствии перекиси водорода эти ионы железа генерируют токсичные гидроксильные радикалы посредством реакций Фентона. Редокс-активное железо (Fe) индуцирует как повреждение генома, так и ингибирует ключевые ферменты в механизмах окислительного повреждения генома, изменяя их структуру и обратимо окисляя остатки цистеина в этих белках. Для борьбы с окислительным стрессом и окислительноопосредованным повреждением человеческая система имеет эндогенные антиоксиданты (молекулы, способные стабилизировать или деактивировать свободные радикалы до того, как они атакуют клетки), которые играют решающую роль в поддержании оптимальных клеточных функций, системного здоровья и благополучия [21]. Одним из методов оценки способности к окислительно-восстановительным процессам является определение восстанавливающей силы для антиоксидантов.

Результаты испытаний определения значения восстанавливающей силы в экстрактах двух видов чая ( Camellia sinensis ) с различной температурой экстракции представлены на рисунке 5.

Black tea                 Green tea

Рисунок 5. Результаты исследования восстанавливающей силы по методу FRAP в различных экстрактах чёрного и зелёного чая со степенью измельчения 0.5 мм и температурой экстракции 20–25 °C, 40–50 °C и температурой кипения растворителя

Figure 5. Results of the study of the restoring force by the FRAP method in various extracts of black and green tea with a grinding degree of 0.5 mm and an extraction temperature of 20–25° C, 40–50° C and a boiling point of the solvent

Для увеличения показателя восстанавливающей силы для чёрного чая наиболее оптимально использовать в качестве температуры экстракции – температуру кипения растворителя, а для зелёного чая – 40–50 ° C.

Заключение

В результате проведения исследования технологических параметров производства экстрактов чёрного и зелёного чая на основе воды и степенью измельчения 0.5 мм, отличающихся температурой экстракции были получены следующие результаты:

• •    большее количетво фенолов экстрагируется из экстрактов черного чая с температурой равной температуре кипения растворителя, зелёный чай показывает высокие значения содержания фенолов при температуре экстракции 40-50 ° С;

• •    высокие значения общего содержания флавоноидов наблюдались при температуре равной температуре кипения растворителя как у черного, так и у зеленого чая;

• •    танинов больше всего содержалось в экстрактах черного и зеленого чая при температуре экстракции 40-50 ° С;

• •    наименьшая антирадикальная активность была обнаружена в экстрактах черного и зеленого чая с температурой экстракции 40-50 ° С.

• •    наибольший показатель восстанавливающей силы был у экстрактов черного чая с температурой экстракции равной температуре кипения растворителя, а у зеленого чая при температуре 40-50 ° С.

В ходе исследования было обнаружено, что температура экстракции является важным фактором, влияющим на степень извлечения антиоксидантных веществ из водных экстрактов чёрного и зелёного чая. Таким образом, с точки зрения экономии материальных ресурсов, повышения качества и свойств экстрактов чая температура экстракции 40–50 °C для чёрного и зелёного чая будет являться оптимальной.

Работа выполнена в рамках государственного задания на фундаментальные исследования Самарского государственного технического университета № 0778–2020–000.