Изучение автономного процесса инверсии сахарозы за счет термического воздействия при ультразвуковой обработке овощных и фруктовых пюре

Для обеспечения населения страны продуктами, имеющими высокую пищевую ценность, при их производстве используют фрукты и овощи, обладающие значительным содержанием биологически активных веществ, находящихся в нативном состоянии – витаминов, минеральных веществ, органических кислот, а также легкоусвояемых углеводов. Для производства функциональных консервов все эти вещества могут быть добавлены в продукты в нормируемых количествах при их изготовлении [1,2].

Известно, что пищевой сахар лучше усваивается организмом в виде мономеров глюкозы и фруктозы. Для их получения необходимо проводить инверсию сахарозы, которая в живых растительных клетках протекает под действием фермента инвертазы.

В технологическом процессе консервирования фруктовые и овощные полуфабрикаты подвергаются интенсивному нагреванию при различной температуре и продолжительности, что может дать начало нежелательным процессам карамелизации и гидролиза сахаров с образованием таких веществ, как карамелан, карамелен и карамилен, придающих продукту горьковатый вкус и вызывающих его потемнение [3, 11].

Вторым нежелательным явлением, происходящим при нагревании продукта, может быть процесс меланоидино-образования, происходящий за счет реакции взаимодействия инвертных сахаров с аминокислотами при нагревании продуктов выше 45…50°С [4,5,12]. В результате этой реакции образующиеся вещества (меланоидины) могут вызывать потемнение продуктов и придавать им привкус «вареного тона», из-за образования 5-окси-метилфурфу-рола, что оказывает отрицательное влияние на органолептические характеристики [6,7].

Применение щадящих режимов технологического процесса, которые сводят термическое воздействие к необходимому минимуму (не более 50°С) нивелирует эти проявления и оказывает положительное влияние на улучшение качества продукции, так как способствует сохранению нативных биологически активных веществ в продукте [13].

Проведенными ранее исследованиями было установлено, что при ультразвуковой обработке продукт подвергается нагреванию до температуры 50°С, и эта температура поддерживается в течение 30 минут. При этом, в продукте автономно одновременно осуществляются два процесса инверсии сахарозы, один – за счет термического воздействия проявляющегося при нагреве продукта, происходящем как побочное действие во время ультразвуковой обработки, а второй – за счет кавитационного [8]. Следовательно, чтобы определить результаты инверсии сахарозы при каждом из этих воздействий, необходимо вначале определить результаты инверсии сахарозы за счет термического воздействия. Затем может быть определено математическим путем значение инверсии автономного кавитационного эффекта, при известных значениях общей инверсии от ультразвукового воздействия.

Целью исследования явилось изучение процесса инверсии сахарозы в овощных и фруктовых пюре при ультразвуковой обработке за счет обособленного термического воздействия на них при заданных параметрах – температуре 50°С и времени воздействия 30 минут.

Методы исследования

В качестве объектов исследований были выбраны фруктовые и овощные монокомпонентные пюре, сырьем для которых использовали яблоки осенних сроков созревания, тыкву свежую зрелую с оранжевой мякотью и морковь столовую зрелую. Пюре вырабатывали по традиционной технологии на технологическом стенде института ВНИИТеК.

Полученное пюре (в расчетном количестве) было разделено на две части (по массе). Затем в одну часть пюре добавляли сахар в количестве 5% (по массе) по заданной рецептуре и смесь тщательно перемешивали. В другую часть пюре сахар не добавляли. После этого, полученные части пюре, каждую в отдельности, фасовали в стеклянные баночки вместимостью 100см3, подготовленные в соответствии с санитарными требованиями, укупоривали и стерилизовали по научно обоснованным температурным режимам, с целью обеспечения длительного хранения образцов. Затем образцы пюре с сахаром и без сахара подвергали термическому воздействию при постоянной температуре 50°С в течение 30 минут, после чего охлаждали до 20°С и использовали в качестве экспериментальных образцов для дальнейших исследований результатов инверсии сахарозы.

Для изучения инверсии сахарозы при термическом воздействии в экспериментальных образцах проводили следующие анализы с использованием физико-химических и физических методов:

• -    массовую долю растворимых сухих веществ – по ГОСТ 28562-90, с использованием рефрактометра УРЛ-1 (Германия);

• -    показатель рН – по ГОСТ 26188-84, с использованием рН-метра HANNA Япония);

• -    содержание органических кислот – по методике М 0447-2012, методом капиллярного электрофореза, с использованием системы «Капель 105-М» [9];

• -    содержание редуцирующих сахаров – по методике М 04-69-2011, методом капиллярного электрофореза, с использованием системы «Капель 105-М» [10];

Для снижения статистической погрешности каждый эксперимент проводили в трехкратной повторности, с отбраковкой статистически недостоверных данных.

Обработку экспериментальных данных проводили с использованием табличного процессора Exel 2010 (Microsoft Corporation) и специализированного пакета программного обеспечения Addinsoft XLSTAT Premium 2019.4.1 (Addinsoft Inc).

Результаты исследования

Для изучения процесса инверсии сахарозы в овощных и фруктовых пюре, происходящей за счет обособленного термического воздействия, были проведены исследования по определению содержания редуцирующих сахаров – фруктозы и глюкозы в указанных экспериментальных образцах - натуральных и изготовленных с добавлением сахара в количестве 5% (по массе), до и после их термической обработки при заданных параметрах – температуре 50 °С и периоде термического воздействия – 30 минут.

Сравнительные результаты по изменению углеводного состава в экспериментальных образцах яблочного, морковного и тыквенного пюре (натуральных и с сахаром), до и после термического воздействия на них представлены в таблице.

При анализе результатов исследований установлено, что во всех трех видах пюре: яблочном, морковном и тыквенном выявлен прирост редуцирующих сахаров после обособленного термического воздействия на продукт при заданных параметрах, что подтверждает проявление при этом процесса инверсии сахарозы. Установлено, что в пюре с добавленной сахарозой инверсия протекает более интенсивно.

В яблочном натуральном пюре количество общих редуцирующих сахаров увеличилось с 5933 мг/100 г до 6247 мг/100 г, т.е. на 314 мг/100 г, что составляет 5,3%, а в яблочном пюре с добавленным сахаром количество редуцирующих сахаров увеличилось с 8062 мг/100 г до 8451, т.е. на 389 мг/100 г, что составляет 4,8% к исходному.

Таблица. Содержание редуцирующих сахаров в яблочном, морковном и тыквенном пюре до и после термической обработки Table. Content of reducing sugars in apple, carrot and pumpkin puree before and after heat treatment

Наименование пюре рН Фруктоза, мг/100 г Глюкоза, мг/100 г до термообработки после термообработки % Δ, % до термообработки после термообработки % Δ, % Яблочное натуральное 3,5 4254 ± 53 4413 ± 44 3,74 a 1,2 a 1679 ± 24 1834 ± 45 9,23 a -27,13 a Яблочное с сахаром 5% 3,8 5208 ± 65 5405 ± 56 3,78 a 2854 ± 36 3046 ± 41 6,73 a Морковное натуральное 5 964 ± 21 1002 ± 20 3,94 a 23,06 a 1088 ± 18 1124 ± 15 3,31 a 80,24 a Морковное с сахаром 5% 5,3 1072 ± 24 1124 ± 19 4,85 a 1157 ± 20 1226 ± 14 5,96 a Тыквенное натуральное 5,2 920 ± 14 933 ± 13 1,41 a 166,19 a 798 ± 11 831 ± 13 4,14 a -2,02 a Тыквенное с сахаром 5% 5,8 771 ± 16 800 ± 17 3,76 a 617 ± 11 642 ± 9 4,05 a a – разница существенна при p < 0,05

В морковном натуральном пюре (без сахара) количество редуцирующих сахаров, полученных за счет термической инверсии сахарозы, увеличилось (по отношению к исходному) на 74,0 мг/100 г, т.е. на 3,6%, а в морковном пюре с добавленным сахаром количество редуцирующих сахаров увеличилось на 121,0 мг/100 г, т.е. на 5,4%, что в 1,5 раза выше, чем прирост в натуральном пюре.

В тыквенном натуральном пюре количество редуцирующих сахаров увеличилось на 46 мг/100 г, т.е. на 2,7%, а в тыквенном пюре с добавленным сахаром количество редуцирующих сахаров увеличилось на 54,0 мг/100 г, т.е. на 3,9% от исходного содержания, что в 1,4 раза превышает прирост, выявленный в натуральном пюре.

Полученные данные показывают, что в овощных смесях с добавленной сахарозой инверсия происходит более глубоко, и на этот процесс влияет показатель pH. Чем он выше, тем глубже происходит инверсия сахарозы. Это подтверждают полученные результаты. Так, в морковной смеси (показатель рН = 5,3), прирост редуцирующих сахаров (по отношению к исходному) составил 5,4%, а в яблочной смеси (показатель рН = 3,8), прирост редуцирующих сахаров составил только 4,8%, что на 11,1% ниже, чем в морковном пюре с сахаром, показатель рН которого выше, чем в яблочном пюре, имеющим более высокую кислотность.

Следовательно, установлено, что при термическом воздействии во всех исследуемых продуктах происходит процесс инверсии сахарозы с образованием определенного количества редуцирующих сахаров – глюкозы и фруктозы, причем глубина инверсии зависит не только от физикохимических показателей (например, рН продукта) но и от компонентного состава, т.е. от добавления в пюре сахара.

Так, в продуктах с добавленным сахаром инверсия проходит более глубоко, что подтверждается результатами инверсии.

В овощных (низкокислотных) смесях пюре с сахаром прирост количества общих редуцирующих сахаров после термического воздействия намного выше, чем в натуральных пюре без добавленного сахара:

Что касается смеси яблочного пюре с сахаром, имеющей низкий показатель рН, то прирост редуцирующих сахаров в ней составляет 4,8%, т.е. наоборот, ниже, чем в натуральном пюре (5,3%), что составляет незначительное снижение – на 0,5%. Это может быть объяснено тем, что содержащиеся в яблочном пюре органические кислоты являются катализаторами инверсии сахарозы еще в процессе начального термического воздействия при изготовлении опытных образцов.

Анализ полученных результатов достоверно подтверждают, что во всех трех наименованиях пюре – морковном, тыквенном и яблочном (с добавленным сахаром и без сахара) после термического воздействия при температуре 50°С в течение 30 минут увеличивается количество редуцирующих сахаров – глюкозы и фруктозы.

Следовательно, в продуктах происходит процесс инверсии сахарозы, причем этот процесс в продуктах с добавленным сахаром происходит боле глубоко, чем в натуральных (без добавленного сахара). Это может быть объяснено тем фактом, что инверсия осуществляется не только за счет нативной сахарозы, но и за счет добавленного сахара.

Пюре яблочное              Пюре морковное              Пюре тыквенное

Рис. Сводный график сравнительных результатов прироста общих редуцирующих сахаров (в %) после инверсии сахарозы за счет термического воздействия

Fig. Summary graph of comparative results of growth of total reducing sugars (in %) after inversion of sucrose due to thermal effects

Подтверждением этого вывода является приведенный на рисунке сводный график сравнительного содержания количества общих редуцирующих сахаров в экспериментальных образцах всех 3-х наименований пюре (морковном, тыквенном и яблочном), изготовленных с добавлением сахара в количестве 5% (по массе) и без него, после термического воздействия на них при температуре 50°С в течение 30 минут.

Представленные данные свидетельствуют о том, что прирост общих редуцирующих сахаров в натуральных овощных пюре ниже, чем в пюре с сахаром: в морковном пюре – в 1,5 раза, в тыквенном – в 1,4 раза.

В яблочном натуральном пюре прирост общих редуцирующих сахаров в процентном отношении к исходному (без термической обработки) составляет 5,3%, что выше, чем в пюре с добавленным сахаром (4,8%) в 1,1 раза. Это объясняется тем, что в натуральном пюре содержится больше органической кислоты (показатель рН ниже, чем в пюре с сахаром), а известно, что инверсия сахарозы про- исходит более интенсивно в продуктах, содержащих больше органических кислот, которые являются катализаторами этого процесса [11,12,13].

Выводы

добавленного сахара). Так, в морковном пюре без сахара увеличение количества редуцирующих сахаров при заданных параметрах термического воздействия составляет 3,6%, а с добавленным сахаром – 5,4%; в тыквенном пюре без добавленного сахара увеличение редуцирующих сахаров при тех же параметрах термообработки составляет 2,7%, а в пюре с добавленным сахаром – 3,9%, по отношению к исходному их содержанию.

Заключение

Проведенными исследованиями достоверно установлены количественные значения прироста редуцирующих сахаров, образующихся за счет автономного процесса инверсии сахарозы при термическом воздействии на продукт в процессе ультразвуковой обработки при заданных параметрах.

Lyubov K. Patsyuk – Leading Researcher,

Laboratory for Conservation Technology,

Tatyana V. Fedosenko – Junior Researcher,

Laboratory of Conservation Technology,

Vladimir V. Kondratenko – Deputy Director for Research,

Cand. Sci. (Techn.), Associate Professor,

• • Литература

  • 1.    Скурихин И.М., Тутельян В.А. Таблицы химического состава и калорийности российских продуктов питания: Справочник. М: ДеЛи принт. 2008. 356 с.

  • 2.    Спиричев В.Б., Шатнюк Л.Н., Поздняковский В.М. Обогащение пищевых продуктов витаминами и минеральными веществами. Наука и технология, под общ. ред. В.Б. Спиричева. Саратов: Вузовское образование (Высшее образование), 2014. 547 с.

  • 3.    Пацюк Л.К., Медведева Е.А., Нариниянц Т.В., Покудина Г.П. Использование фруктовых и овощных соков и пюре-полуфабрикатов при изготовлении соковой продукции и напитков. Сборник трудов «Актуальные вопросы индустрии напитков». Москва: Книга-Мемуар. 2017;(2):85-86.

  • 4.    Соколовская Л.Н., Миклух И.В., Сороко О.Л., Беспалова Е.В. Интенсификация процесса топления молока путем корректировки его углеводного состава. Сборник «Наука, питание и здоровье» Материалы II Международного конгресса. 2019. С.257-265.

  • 5.    Усанова Ю.Ю., Пацюк Л.К., Федосенко Т.В., Кондратенко В.В. «Исследование влияния ультразвуковой обработки на инверсию сахарозы в монокомпонентном пюре из растительного сырья. Сборник научных трудов XIII Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов организаций в сфере сельскохозяйственных наук «Перспективные исследования и новые подходы к производству и переработке сельскохозяйственного сырья». Москва, 2019.

  • 6.    Петров А.Н., Шишкина Н.С., Пацюк Л.К. и др. Получение новых продуктов с применением кавитационной обработки. Холодильная технология. 2017;(8):54-59.

  • 7.    Духу Т.А., Щербакова Н.А., Остапенкова Н.А., Савенкова Т.В., Аксенова Л.М. Новые физические способы обработки кондитерских масс. ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт кондитерской промышленности» Углич: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Принципы пищевой комбинаторики – основа моделирования поликомпонентных пищевых продуктов». 2010. С.85-87.

  • 8.    Петров А.Н., Кондратенко В.В., Пацюк Л.К., Федосенко Т.В. и др. Отчет по теме «Развить научные основы создания пищевых систем общего и специализированного назначения. Этап 2019 года: Исследовать закономерности изменения скорости инверсии сахарозы в результате комплексного воздействия активной кислотности среды и параметров кавитационной обработки. ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт технологии консервирования» М. РАН, Номер государственного учета в ЕГИСУ НИОКТИ АААА–А19–119071890034-7.

  • 9.    Методика М 04-47-2012: Определение органических кислот в винодельческой, соковой, алкогольной, безалкогольной, слабоалкогольной и пивоваренной продукции при использовании системы капиллярного электрофореза «Капель -105М» (Россия).

  • 10.    Методика М 04-69-2011: Измерение содержания фруктозы, глюкозы и сахарозы в напитках безалкогольных, слабоалкогольных и алкогольных, в том числе винах и виноматериалах, плодоовощной и соковой продукции, меде и БАДах методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-105М» (Россия).

  • 11.    Ермолаев С.В., Кривовоз А.Г., Ермолаева Г.А. «Приготовление инвертированных сахарных сиропов». «Московский государственный университет пищевых производств». М. «Пиво и напитки». 2004;(5):48-49.

  • 12.    Kim K-H., Chahine G., Franc J-P., Karimi A. Fluid Mechanics and Its Applications 106 – Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Predict. New York: Springer Science + Business Media Dordrecht. 2014. P.399

  • 13.    Dorn G.A., Savenkova T.V., Sidirova O.S., Golub O.V. Confectionery foods for heathy diet. Foods and raw materials. 2015;(3):70-76.

• • References

  • 1.    Skurikhin I.M., Tutelian V.A. Tables of the chemical composition and caloric content of Russian food products: Reference book. M: DeLi print. 2008. 356 p. (In Russ.)

  • 2.    Spirichev V.B., Shatnyuk L.N., Pozdnyakovsky V.M. Enrichment of foods with vitamins and minerals. Science and technology. Saratov: Higher education (Higher education), 2014. 547 p. (In Russ.)

  • 3.    Patsyuk L.K., Medvedev E.A., Nariniyants T.V., Pokudina G.P. The use of fruit and vegetable juices and mashed semi-finished products in the manufacture of juice products and drinks. Proceedings "Actual problems of the beverage industry." Moscow: Memoir Book. 2017;(2):85-86. (In Russ.)

  • 4.    Sokolovskaya L.N., Miklukh I.V., Soroko O.L., Bespalova E.V. Intensification of the process of heating milk by adjusting its carbohydrate composition. Collection “Science, Nutrition and Health” Materials of the II International Congress. 2019. P.257-265. (In Russ.)

  • 5.    Usanova Yu.Yu., Patsyuk L.K., Fedosenko T.V., Kondratenko V.V. “Study of the effect of ultrasonic treatment on sucrose inversion in monocomponent puree from plant materials. Collection of scientific papers of the XIII International Scientific and Practical Conference of Young Scientists and Specialists of Organizations in the Field of Agricultural Sciences "Advanced Research and New Approaches to the Production and Processing of Agricultural Raw Materials". Moscow, 2019. (In Russ.)

  • 6.    Petrov, A.N., Shishkina N.S., Patsyuk L.K. et al. Obtaining new products using cavitation treatment. Refrigeration technology. 2017;(8):54-59. (In Russ.) 7. Dukhu T.A., Shcherbakova N.A., Ostapenkova N.A., Savenkova T.V., Aksenova L.M. “New physical methods of processing confectionery masses”. Federal State Budgetary Scientific Institution "All-Russian Scientific Research Institute of the Confectionery Industry" Uglich: Collection of materials of the All-Russian scientific-practical conference "Principles of food combinatorics – the basis for modeling multicomponent food products." 2010. P.85-87. (In Russ.)

• 8.    Petrov A.N., Kondratenko V.V., Patsyuk L.K., Fedosenko T.V. et al. Report on the theme “To develop the scientific foundations for the creation of food systems for general and specialized purposes. Stage of 2019: -Investigate the patterns of change in sucrose inversion rate as a result of the complex effect of the active acidity of the medium and the parameters of cavitation treatment. Federal State Budgetary Institution "All-Russian Scientific Research Institute of Conservation Technology". M. RAS, State registration number in YSISU NIOKTI AAAA – A19–119071890034-7. (In Russ.)

• 9.    Method M 04-47-2012: “Determination of organic acids in wine, juice, alcohol, nonalcoholic, low alcohol and brewing products using the Kapel-105M capillary electrophoresis system (Russia).

• 10.    M 04-69-2011: “Measurement of fructose, glucose and sucrose in nonalcoholic, low alcohol and alcoholic beverages, including wines and wine materials, fruits and vegetables and juice products, honey and dietary supplements by the method of capillary electrophoresis «Kapel-105M» (Russia).

• 11.    Ermolaev S.V., Krivovoz A.G., Ermolaeva G.A. “Preparation of inverted sugar syrups”. "Moscow State University of Food Production". M. “Beer and Drinks”. 2004;(5):48-49. (In Russ.)

• 12.    Kim K-H., Chahine G., Franc J-P., Karimi A. Fluid Mechanics and Its Applications 106 – Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Predict. New York: Springer Science + Business Media Dordrecht. 2014. P.399

• 13.    Dorn G.A., Savenkova T.V., Sidirova O.S., Golub O.V. Confectionery foods for heathy diet. Foods and raw materials. 2015;(3):70-76.